Green Catalysis Using Sulfonated Carbon Prepared from Azadirachta indica Biomass

غالباً ما تحمل الكيمياء سمعة بأنها مجال للمواد القاسية والمسببة للتآكل والنفايات الفوضوية. ولعقود من الزمن، كانت الطريقة القياسية لتسريع العديد من التفاعلات الكيميائية تتضمن استخدام أحماض سائلة قوية، مثل حمض الكبريتيك، المذاب مباشرة في الخليط. ورغم فعاليتها، إلا أن هذه الطرق التقليدية تترك وراءها سلسلة من المشكلات: فالحمض يصعب فصله عن المنتج النهائي، وهو يؤدي إلى تآكل المعدات المعدنية المستخدمة في تصنيعه، كما أنه يولد كميات كبيرة من النفايات السائلة السامة التي يجب معالجتها بعناية قبل التخلص منها. وفي السنوات الأخيرة، سعى العلماء إلى مسار أكثر نظافة، متطلعين نحو "الكيمياء الخضراء"، وهي فلسفة تهدف إلى تصميم عمليات كيميائية تقلل من النفايات والمخاطر. ويتضمن جزء رئيسي من هذا التحول استبدال تلك الأحماض السائلة المذابة بمواد صلبة يمكنها القيام بنفس المهمة ولكن يمكن استخراجها بسهولة من الخليط، وغسلها، واستخدامها مراراً وتكراراً. وكان التحدي يكمد في إيجاد مادة صلبة لا تكون فعالة فحسب، بل مصنوعة أيضاً من موارد متجددة بدلاً من المعادن المستخرجة من المناجم.

لقد توجه الباحثون في جامعة شيفاجي والعديد من الكليات التابعة لها في الهند إلى نبات مألوف ووفير لحل هذه المشكلة: شجرة النيم. وتُعرف علمياً باسم (Azadirachta indica)، وهذه الشجرة شائعة في جميع أنحاء شبه القارة الهندية، وغالباً ما يتم التخلص من أجزائها — اللحاء، والأوراق، والبذور، والخشب — كنفايات زراعية. وقد تساءل الفريق، بقيادة أ. س. كدام وزملاؤه، عما إذا كان يمكن تحويل هذه الكتلة الحيوية المتبقية إلى أداة قوية للتخليق الكيميائي. لم يكتفوا بمجرد سحق المادة النباتية؛ بل أخضعوها لعملية من خطوتين غيرت طبيعتها بشكل جذري. أولاً، أخذوا مادة النيم المجففة وسخنوها في فرن مع كمية ضئيلة جداً من الأكسجين. هذه العملية، المعروفة باسم "التفحم"، حولت الألياف النباتية إلى مادة صلبة سوداء مسامية تسمى "الفحم الحيوي" (biochar)، وهو شكل من أشكال الكربون يشبه الفحم الخشبي. ومع ذلك، فإن الكربون العادي ليس حمضياً بما يكفي لتحفيز العديد من التفاعلات الكيميائية. ولإصلاح ذلك، عالج الباحثون الفحم الحيوي بحمض الكبريتيك المركز عند درجات حرارة عالية. هذه الخطوة، المسماة "السلفنة" (sulfonation)، قامت بربط مجموعات حمضية صغيرة كيميائياً بسطح الكربون، محولةً المسحوق الأسود الخامل إلى محفز حمضي صلب.

والنتيجة هي محفز قابل لإعادة الاستخدام يعمل مثل إسفنجة صلبة للتفاعلات الكيميائية. وعندما اختبر الباحثون هذه المادة الجديدة، وجدوا أنها تستطيع بنجواح إتمام عملية إنشاء جزيئات معقدة حلقية الشكل، والتي تعد لبنات بناء مهمة للأدوية والمركبات البيولوجية الأخرى. وقد أجروا هذه التفاعلات دون استخدام أي مذيبات سائلة، أو باستخدام كمية صغيرة فقط من الإيثانول، مما جعل العملية نظيفة وبسيطة. وفي هذه الاختبارات، أنتج المحفز المشتق من النيم كميات عالية من المنتج المطلوب في وقت قصير. والأهم من ذلك، ولأن المحفز صلب، فإنه لم يذب في التفاعل. وبمجرد انتهاء التفاعل، قام العلماء ببساطة بترشيح الخليط لفصل المسحوق الأسود عن السائل المنتج. ثم قاموا بغسل المسحوق، وتجفيفه، واستخدامه مرة أخرى. وتوضح الدراسة منهجية يتم فيها تقييم قابلية إعادة الاستخدام عبر خمس دورات تفاعل متتالية، مع تحليل أي فقد في الأداء التحفيزي لتحديد استقرار المحفز على المدى الطويل.

ولفهم ما صنعوه بالضبط، فحص الفريق المادة باستخدام مجموعة من الأدوات المتقدمة. استخدموا تقنية تسمى "حيود الأشعة السينية" لتحديد الطبيعة البلورية أو غير المنتظمة لمادة الكربون. ونظروا إلى السطح تحت مجهر إلكتروني ماسح، والذي كشف عن مشهد خشن ومسامي مليء بالثقوب الصغيرة حيث يمكن أن تحدث التفاعلات الكيميائية. وأكدت "المطيافية" أن معالجة حمض الكبريتيك قد ربطت بنجاح مجموعات تحتوي على الكبريت بسطح الكربون، مما خلق المواقع الحمضية اللازمة. كما خططوا لقياس مساحة السطح وتقييم الاستقرار الحراري للمحفز باستخدام "التحليل الحراري الوزني". ولعل الأهم من ذلك هو أنهم خططوا لقياس حموضة المادة الصلبة لتحديد العدد الإجمالي للمواقع النشطة القادرة على منح البروتونات، وهي الآلية التي تعمل بها هذه المحفزات.

تشير الدراسة إلى أن هذا النهج يقدم بديلاً عملياً للأحماض السائلة التقليدية والخطرة. فمن خلال استخدام مورد متجدد مثل النيم، الذي غالباً ما يتم حرقه أو التخلص منه، تحول هذه العملية النفايات إلى أداة قيمة. إن الطبيعة الصلبة للمحفز تلغي الحاجة إلى خطوات الغسل والتعادل المكثفة المطلوبة عادةً لإزالة الأحماض المذابة، مما يوفر المياه ويقلل من النفايات الكيميائية. وأشار الباحثون إلى أن المحفز غير سام وسهل الاسترداد، مما يتماشى مع مبادئ التصنيع المستدام. وبينما يركز عملهم على تفاعلات كيميائية محددة، فإن النتائج تشير إلى إمكانية أوسع: وهي أن الكتلة الحيوية الوفيرة من حولنا يمكن تحويلها إلى أدوات فعالة وقابلة لإعادة الاستخدام في الكيمياء الخضراء، مما يقلل من البصمة البيئية للتخليق الصناعي. وتخلص الورقة البحثية إلى أن محفزات النيم هذه تمثل اتجاهاً واعداً ومنخفض التكلفة وصديقاً للبيئة للبحث الكيميائي المستقبلي، مما يوفر طريقة لجعل التخليق العضوي أكثر أماناً واستدامة.