February 18, 2024

רק 1% מהתרכובות הכימיות התגלו – הנה איך אנחנו מחפשים עוד שיכול לשנות את העולם

    <classe de durée=גרסיה/שטרסטוק” src=”https://s.yimg.com/ny/api/res/1.2/i4oadBs8wZaf5GcxhpJ75w–/YXBwaWQ9aGlnaGxhbmRlcjt3PTk2MDtoPTYzMQ–/https://media.zenfs_46.com/en/https://media.zenfs_44e.conversation/7b/7b/7b/7b/7b/en e45fa c64e0520f855″ data-src = “https://s.yimg.com/ny/api/res/1.2/i4oadBs8wZaf5GcxhpJ75w–/YXBwaWQ9aGlnaGxhbmRlcjt3PTk2MDtoPTYzMQ–/https://media.zenfs.com/en/the4621c7b7b/the464c7b7b3d7b3b 64 e0520f855″/>

היקום גדוש במיליארדי כימיקלים, כל אחד מהם כתם זעיר של פוטנציאל. וזיהינו רק 1% מהם. מדענים מאמינים שתרכובות כימיות שלא התגלו יכולות לסייע בסילוק גזי חממה או לעורר פריצת דרך רפואית, בדיוק כמו הפניצילין.

אבל נתחיל באומרו: זה לא שהכימאים לא סקרנים. מאז שהכימאי הרוסי דמיטרי מנדלייב המציא את הטבלה המחזורית של היסודות ב-1869, שהיא בעצם קופסת מרקחת לגו, מדענים גילו את הכימיקלים שעזרו להגדיר את העולם המודרני. היינו צריכים היתוך גרעיני (ירי אטומים זה לעבר זה במהירות האור) כדי ליצור את החופן האחרון של יסודות. אלמנט 117, טנסין, סונתז בצורה זו ב-2010.

אבל כדי להבין את רוחב היקום הכימי, צריך להבין גם תרכובות כימיות. חלקם מתרחשים באופן טבעי – מים, כמובן, מורכבים ממימן וחמצן. אחרים, כמו ניילון, התגלו בניסויי מעבדה ומיוצרים במפעלים.

יסודות מורכבים מסוג אחד של אטומים, ואטומים מורכבים מחלקיקים קטנים עוד יותר, כולל אלקטרונים ופרוטונים. כל התרכובות הכימיות מורכבות משני אטומים או יותר. אמנם ייתכן שיש חומר שטרם התגלה, אך אין זה סביר. אז כמה תרכובות כימיות אנחנו יכולים ליצור עם 118 הסוגים השונים של יסודות הלגו שאנו מכירים כיום?

מספרים גדולים

אנחנו יכולים להתחיל ביצירת כל תרכובות שני האטומים. יש הרבה כאלה :N2 (חנקן) ו-O2 (חמצן) מהווים יחד 99% מהאוויר שלנו. כנראה ייקח לכימאי כשנה ליצור תרכובת אחת ויש תיאורטית 6,903 תרכובות דו-אטומיות. אז הנה כפר של כימאים שעובדים במשך שנה רק כדי ליצור כל תרכובת אפשרית של שני אטומים.

יש כ-1.6 מיליון תרכובות עם שלושה אטומים כמו H₂0 (מים) ו-C0₂ (פחמן דו חמצני), שהיא האוכלוסייה המשולבת של ברמינגהאם ואדינבורו. ברגע שנגיע לתרכובות של ארבעה וחמישה אטומים, נצטרך שכולם על כדור הארץ יכינו שלוש תרכובות כל אחת. וכדי לייצר את כל התרכובות הכימיות הללו, נצטרך גם למחזר את כל החומרים ביקום מספר פעמים.

אבל זה כמובן פשטנות. דברים כמו מבנה ויציבות של תרכובת יכולים להפוך אותו למורכב יותר וקשה יותר להכנה.

התרכובת הכימית הגדולה ביותר שנעשתה עד כה נוצרה בשנת 2009 ויש לה כמעט 3 מיליון אטומים. אנחנו עדיין לא יודעים בדיוק מה זה עושה, אבל תרכובות דומות משמשות להגנה על תרופות סרטן בגוף עד שהן מגיעות למקום הנכון.

אבל רגע, לכימיה יש חוקים!

אין ספק שכל התרכובות הללו אינן אפשריות?

נכון שיש חוקים, אבל הם די גמישים, מה שיוצר יותר אפשרויות לתרכובות כימיות.

אפילו “גזים אצילים” בודדים (כולל ניאון, ארגון, קסנון והליום), אשר נוטים לא להיקשר לכלום, יוצרים לעיתים תרכובות. ארגון הידריד, ArH+ אינו קיים באופן טבעי על פני כדור הארץ אך נמצא בחלל. מדענים הצליחו ליצור גרסאות סינתטיות במעבדות המשכפלות תנאי חלל עמוקים. לכן, אם אתה כולל סביבות קיצוניות בחישובים שלך, מספר התרכובות האפשריות גדל.

פחמן בדרך כלל אוהב להיות מחובר לאחד עד ארבעה אטומים אחרים, אבל מדי פעם, לתקופות קצרות, חמישה אפשריים. דמיינו אוטובוס עם קיבולת מקסימלית של ארבעה אנשים. האוטובוס בתחנה, ואנשים עולים ויורדים; בזמן שאנשים זזים, בקצרה, אתה יכול להיות יותר מארבעה אנשים באוטובוס.


קרא עוד: וידויים של כימאי: אני מייצר מולקולות שלא צריכות להתקיים


יש כימאים שמבלים את כל הקריירה שלהם בניסיון לייצר תרכובות שלפי כללי הכימיה לא אמורות להתקיים. לפעמים הם מצליחים.

שאלה נוספת שמדענים חייבים לשאול היא האם התרכובת שהם רוצים יכולה להתקיים רק בחלל או בסביבות קיצוניות – חשבו על החום והלחץ העצומים שנמצאים בפתחי אוורור הידרותרמיים, שהם כמו גייזרים אבל בקרקעית האוקיינוס.

איך מדענים מחפשים תרכובות חדשות

לעתים קרובות התשובה היא לחפש תרכובות הקשורות לאלו שכבר ידועות. ישנן שתי דרכים עיקריות לעשות זאת. הראשון הוא לקחת תרכובת ידועה ולשנות אותה מעט – הוספה, הסרה או החלפה של אטומים. אחר הוא לקחת תגובה כימית ידועה ולהשתמש בחומרי גלם חדשים. זה כאשר שיטת היצירה זהה אך המוצרים יכולים להיות שונים מאוד. שתי השיטות הללו הן דרכי חיפוש אלמונים ידועים.

לחזור ללגו, זה כמו לבנות בית, ואז בית קצת אחר, או לקנות לבנים חדשות ולהוסיף קומה שנייה. כימאים רבים מבלים את הקריירה שלהם בחקר אחד מהמפעלים הכימיים הללו.

אבל איך נוכל לחפש כימיה חדשה באמת, כלומר. אלמונים לא ידועים?

כימאים מגלים תרכובות חדשות על ידי התבוננות בעולם הטבע. הפניצילין התגלה כך בשנת 1928, כאשר אלכסנדר פלמינג הבחין כי עובש בצלחות הפטרי שלו מונע גדילה של חיידקים.

יותר מעשור לאחר מכן, בשנת 1939, הווארד פלורי גילה כיצד לגדל פניצילין בכמויות שימושיות, שוב באמצעות עובשים. אבל לקח עוד יותר זמן, עד 1945, עד שדורותי קראופוט הודג’קין זיהתה את המבנה הכימי של הפניצילין.

זה חשוב מכיוון שחלק מהמבנה של הפניצילין מכיל אטומים המסודרים בריבוע, שהוא סידור כימי יוצא דופן שרק מעטים כימאים היו מנחשים וקשה להשיגו. הבנת המבנה של פניצילין פירושה שידענו איך הוא נראה ויכולנו לחקור את בני דודיו הכימיים. אם אתם אלרגיים לפניצילין וזקוקים לאנטיביוטיקה חלופית, יש לכם להודות לקרופוט הודג’קין.

כיום, הרבה יותר קל לקבוע את המבנה של תרכובות חדשות. טכניקת הרנטגן שהמציא Crowfoot Hodgkin כדי לזהות את המבנה של פניצילין עדיין בשימוש ברחבי העולם כדי לחקור את התרכובות. ובאותה טכניקת MRI שבה משתמשים בתי חולים לאבחון מחלות ניתן להשתמש גם בתרכובות כימיות כדי לקבוע את המבנה שלהן.

אבל גם אם כימאי ינחש מבנה חדש לחלוטין, שאינו קשור לתרכובת כלשהי המוכרת על פני כדור הארץ, הם עדיין יצטרכו ליצור אותו, וזה החלק הקשה. ההבנה שתרכובת כימית עשויה להתקיים לא אומרת לך איך היא בנויה או אילו תנאים אתה צריך כדי ליצור אותה.

עבור תרכובות שימושיות רבות, כמו פניצילין, קל יותר וזול יותר “לגדל” אותן ולחלץ אותן מעובשים, צמחים או חרקים. לפיכך, מדענים בחיפוש אחר כימיה חדשה עדיין מחפשים לעתים קרובות את השראתם בפינות הקטנות ביותר של העולם סביבנו.

מאמר זה פורסם מחדש מתוך The Conversation תחת רישיון Creative Commons. קרא את המאמר המקורי.

השיחה

מתיו אדיקוט מקבל מימון מה-EPSRC והחברה המלכותית.

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *