A Rule-Breaking Class of Planar Central Chiral Molecules in Planar Tetracoordinate Carbon Systems

على مدى أكثر من قرن، كانت القاعدة الأساسية في الكيمياء العضوية هي أن ذرة الكربون، عندما ترتبط بأربعة أشياء أخرى، ترتب نفسها في شكل هرمي ثلاثي الأبعاد يُعرف بالهرم الرباعي (tetrahedron). هذا الشكل الهندسي هو السبب وراء امتلاك العديد من الجزيئات لخاصية "اليدوية"، وهي خاصية تُسمى الكيرالية (chirality). تماماً كما لا يمكن لليد اليسرى أن تنطبق تماماً على اليد اليمنى، توجد الجزيئات الكيرالية في شكلين مرآتيين يتصرفان بشكل مختلف في الأنظمة البيولوجية. هذا التمييز حيوي للحياة، حيث إن البروتينات التي تبني أجسادنا مكونة من نوع واحد من الأحماض الأمينية (يد واحدة)، بينما تأتي السكريات التي تمدنا بالطاقة من النوع الآخر. ولعقود من الزمن، استكشف العلماء أيضاً ما إذا كان بإمكان الكربون كسر قاعدة الهرم هذه والاستلقاء بشكل مسطح في مستوى واحد مع الاستمرار في حمل أربع روابط، وهو مفهوم يُعرف بالكربون المستوي رباعي التنسيق (planar tetracoordinate carbon). وبينما وجد الباحثون طرقاً لإجبار الكربون على اتخاذ هذا الشكل المسطح، ظل السؤال عما إذا كان بإمكان ذرة كربون مسطحة كهذه أن تكون أيضاً مركزاً لجزيء كيرالي (يدوي) دون الإجابة عليه.

لقد اقترح فريق من الباحثين في معهد فيلور للتكنولوجيا في الهند حلاً لهذا اللغز، حيث وصفوا فئة جديدة من الجزيئات يعمل فيها ذرة كربون مسطحة كمركز كيرالي. في دراستهم، استخدم العلماء محاكاة حاسوبية قوية لتصميم واختبار ثمانية هياكل جزيئية مختلفة. ووجدوا أنه من خلال إحاطة ذرة كربون مركزية واحدة بأربعة جيران متميزين — وتحديداً تركيبات من الهيدروجين، والفلور، والبورون، والألومنيوم، والبريليوم — يمكنهم إنشاء جزيء مسطح ومستقر يمتلك خاصية اليدوية. يعد هذا خروجاً كبيراً عن المألوف لأن الكربون المسطح الذي يمتلك أربع روابط في الكيمياء القياسية عادة ما يفتقر إلى عدم التماثل المطلوب ليكون كيرالياً. وقد أظهر الباحثون أن هذه الجزيئات المسطحة توجد في أزواج من الصور المرآتية، تماماً مثل اليد اليسرى واليمنى، وأن هذه الأزواج مستقرة كيميائياً بما يكفي ليتم دراستها في المختبر.

لم يقم الباحثون ببناء هذه الجزيئات باستخدام أنابيب اختبار ومواد كيميائية مادية؛ بل بنوها داخل الحاسوب باستخدام نماذج رياضية متقدمة تتنبأ بكيفية تفاعل الذرات. بدأوا برسم أشكال محتملة حيث ترتبط ذرة كربون مركزية بأربع ذرات مختلفة ولكنها مجبرة على البقاء مسطحة. ثم أجروا حسابات صارمة لمعرفة ما إذا كانت هذه الأشكال ستتماسك أم ستنهار. كانت النتائج واعدة: استقرت جميع هياكلهم الثمانية المقترحة في مواضع مستقرة دون أي علامات على عدم الاستقرار. ولفهم سبب نجاح هذه الأشكال المسقة، نظر الفريق بدقة إلى القوى غير المرئية التي تمسك الذرات معاً. واكتشفوا أن الذرات المحيطة، وخاصة البورون والألومنيوم، تعمل كمرتكزات إلكترونية. تقوم هذه الذرات بمنح الإلكترونات إلى الكربون المركزي وتستقبل أيضاً الإلكترونات في سحابة مشترلة ودوارة. هذا التدفق المستمر للإلكترونات، الذي ينتشر عبر الهيكل المسطح بأكته، يعمل مثل الغراء الذي يثبت هذا الشكل غير المعتاد، مما يمنع الكربون من البروز خارج المستوى.

ولتأكيد أن هذه الجزيئات المسطحة كانت كيرالية حقاً وليست مجرد أشكال مسطحة تبدو مختلفة فحسب، قام الفريق بمحاكاة كيفية تفاعلها مع الضوء. لقد حسبوا كيفية امتصاص الجزيئات للضوء المستقطب دائرياً ذي اليد اليسرى واليد اليمنى، وهي تقنية تُستخدم للتمييز بين الأشكال المرآتية. أظهرت عمليات المحاكاة أنه بالنسبة لكل جزيء صمموه، فإن شريكه المرآتي يمتص الضوء بالطريقة المعاكسة تماماً. إذا أحدث أحد إصدارات الجزيء إشارة معينة عند اصطدامه بالضوة، فإن صورته المرآتية أحدثت إشارة بنفس القوة ولكن في الاتجاه المعاكس. أكد هذا السلوك المرآتي في امتصاص الضوء أن الجزيئات تمتلك اليدوية المحددة المطلوبة للكيرالية، على الرغم من أن ذرة الكربون المركزية لديها مسطحة وليست هرمية.

كما حددت الدراسة أن بعض هذه الجزيئات المسطحة لها توائم هيكلية، تُعرف باسم المتصاوغات (isomers)، والتي تشترك في نفس الذرات ولكنها ترتبط ببعضها بترتيب مختلف. قارن الباحثون الطاقة المطلوبة لربط هذه النسخ المختلفة معاً ووجدوا أن ترتيباً واحداً معيناً كان أكثر استقراراً باستمرار من الآخر. يشير هذا إلى أنه إذا حاول كيميائي إنشاء هذه الجزيئات في المختبر، فمن المرجح أن يجد النسخة الأكثر استقراراً أولاً. وأشار الفريق إلى أن هذه الجزيئات المسطحة والكيرالية لها توزيع شحنة كهربائية متميز، مما يعني أنه يمكن للعلماء رصدها باستخدام مطيافية الدوران (rotational spectroscopy)، وهي طريقة تقيس كيفية دوران الجزيئات في الهواء.

بينما توجد هذه الجزيئات حالياً فقط كنماذج حاسوبية، فإن النتائج تفتح باباً جديداً لفهم كيفية عمل الشكل الجزيئي والتماثل. يقترح الباحثون أن هذه الهياكل المسطحة والكيرالية يمكن أن تكون مفيدة في النهاية في إنشاء المحفزات — وهي المواد التي تسرع التفاعلات الكيميائية — حيث تكون اليدوية المحددة للجزيء حاسمة في اختيار نوع معين من المنتجات دون غيره. ومن خلال كسر القاعدة التي دامت طويلاً بأن المركز الكيرالي يجب أن يكون هرماً ثلاثي الأبعاد، يوسع هذا العمل مجموعة الأدوات المتاحة للكيميائيين لتصميم مواد جديدة. إنه يثبت أن قواعد الهندسة الجزيئية أكثر مرونة مما كان يُعتقد سابقاً، مما يسمح بوجود مراكز كربون مسطحة، ومستقرة، وذات يدية، يمكن أن تلعب يوماً ما دوراً في التصنيع الكيميائي المتقدم وعلوم المواد.