جائزة نوبل في الكيمياء: تطور الكيمياء الحديثة (الجزء الثالث)

نتابع ما بدأنا به في الجزئين الأول والثاني من سلسلة جائزة نوبل في الكيمياء! واسهامات الكيميائيون في تطور الكيمياء الحديثة.

3-4- الكيمياء النظرية والروابط الكيميائية

إن تطور الكيمياء الحديثة وآليات ميكانيك الكم (Quantum mechanics) التي تطورت في عشرينات القرن العشرين، قدمت وسيلة مساعدة لتأسيس توضيح أكثر للروابط الكيميائية.

أظهر العالمان Walter Heitler  و Fritz London أنه:-

• من الممكن حل المعادلات المتعلقة بأيون جزيء الهيدروجين بشكل دقيق.

مثلاً عندما تتشارك نواتي هيدروجين بإلكترون واحد بذلك يمكن حساب قوة الجاذبية بين النواتين.

بالنسبة للجزيئات التي تحتوي أكثر من ثلاث جسيمات أولية وحتى جزيئة الهيدروجين ذات الرابطة ثنائية الإلكترون” التي اقترحها Lewis” (انظر القسم 1-1).

فإن المعادلة هنا لا يمكن حلها بشكل دقيق لذا يتم اللجوء إلى طرق تقريبية.

• كان الرائد في تطوير هذه الطرق هو العالم Linus Pauling .

من معهد كاليفورنيا للتقانة والذي نال جائزة نوبل للكيمياء في عام 1954 وذلك لبحثه في طبيعة الرابطة الكيميائية.

• إن طريقة الرابطة التكافؤية (المشتركة) للعالم Pauling (VB) تم وصفها بشكل دقيق جداً في كتابه (Introduction to Quantum Mechanics) .

والذي كتبه في عام 1935 بمشاركة العالم E.Bright Wilson .Jr من جامعة Harvard .

• ولاحقاً بعد سنوات قليلة في عام 1939 نشر Pauling طريقة حل شاملة.

ولا تعتمد على الرياضيات، وذلك في كتابه (The Nature of the Chemical Bond) والذي يعد إحدى أكثر الكتب قراءة وتأثيراً في كامل تاريخ الكيمياء.

• إن Pauling لم يكن فقط باحثاً نظرياً بل قام أيضاً بأبحاث واسعة حول البنية الكيميائية، ولكن استخدم الانحراف الضوئي للأشعة X (انظر القسم 3-5) .

واعتماداً على نتائج عمله على ببتيدات صغيرة والتي تعد أساس بناء البروتينات فقد اقترح بنية الحلزون ɑ (ɑ-helix) كإحدى العناصر البنيوية الهامة. نال Pauling أيضاً جائزة نوبل للسلام في عام 1962 ويعد الشخص الوحيد حتى الآن الذي نال جائزتي نوبل لا تشتركان ببعضهما.

كيفية الحصول على وصف دقيق للرابطة الكيميائية

إن طريقة الرابطة التكافؤية للعالم Pauling (Pauling^,s VB) لا تعطي وصفاً كافياً للرابطة الكيميائية في العديد من الجزيئات المعقدة.

وكمعالجة أكثر شموليةً لهذا الموضوع:-

• ظهرت طريقة المدار الجزيئي (molecular orbital) أو (MO) .

والتي تم تقديمها في عام 1927 من قبل العالم Robert S. Mulliken  من Chicago، والتي تم تطويرها لاحقاً من قبله ومن قبل باحثين آخرين.

• تعتبر نظرية المدار الجزيئي (MO) وفق مصطلحات الميكانيك الكمي أن (التداخلات تتم بين كل النوى الذرية والإلكترونات في الجزيء).

أظهر Mulliken أيضاً أن دمج حسابات طريقة المدار الجزيئي مع النتائج التجريبية (الطيفية) يؤمن وسيلة قوية لوصف الرابطة في الجزيئات الكبيرة.

• تلقى Mulliken جائزة نوبل للكيمياء في عام 1966.

ساهمت الكيمياء النظرية أيضاً بشكل هام في فهم آليات التفاعل الكيميائي.

• تشارك جائزة نوبل في عام 1981 العالمان Kenichi Fukui من Kyoto و Roald Hoffmann من جامعة Cornell.

وهذا نتيجة لنظرياتهم التي تم تطويرها بشكل مستقل والمتعلقة بآلية التفاعل الكيميائي .

• حيث قدم Fukui نظرية الحدود المدارية، وفقاً لتلك التي تشغلها نظرية المدارات الجزيئية (MO) بالطاقة الأعلى، والتي لا تشغلها بالطاقة الأدنى بأن لها تأثير مسيطر على فعالية الجزيئة.
• شكل Hoffmann في عام 1965 بالتعاون مع Robert B.Woodward (انظر القسم 3-8) القواعد التي تعتمد على تحول التناظر المداري للفعالية،والكيمياء الفراغية للتفاعلات الكيميائية.
• نشر العالم Rudolph A. Marcus خلال عشر سنوات بدأت منذ عام 1956 سلسلة من الأوراق البحثية.

التي كانت انطلاقة لنظرية شاملة حول سرعات تفاعلات انتقال الإلكترون.

وهي الدراسة التجريبية التي نال من خلالها Taube جائزة نوبل في عام 1983 (انظر القسم 3-3).

تنبأت نظرية Marcus كيف أن السرعة تتغير حسب القوة الموجهة للتفاعل الكيميائي.

مثلاً:-

باختلاف الطاقة بين المواد المتفاعلة والناتجة عن التفاعل وخلافاً لحدسه وجد أن:

السرعة لا تتزايد بشكل مستمر بل تصل لحد أقصى في منطقة تحول عكسي للتفاعل (Marcus inverted region)، والتي تم لاحقاً تأكيدها بشكل تجريبي.

• نال Marcus جائزة نوبل للكيمياء في عام 1992.
• إن جائزة نوبل الأخيرة للعمل في مجال الكيمياء النظرية تم منحها عام 1998 للعالمين Walter Kohn من Santa Barbara و John A. Pople من جامعة Northwestern (لكنه مواطن بريطاني).
• نال Kohn الجائزة وهو باحث في الفيزياء النظرية وذلك لتطويره نظرية الكثافة الوظيفية.

والتي تسهل الحسابات التفصيلية للبنى الهندسية للجزيئات المعقدة والمخطط الطاقي للتفاعلات الكيميائية.

• أما Pople وهو عالم رياضيات (لكنه الآن مدرساً جامعياً للكيمياء) نال الجائزة لتطويره طرق حسابية في كيمياء الكم.

وبشكل خاص فقد صمم Pople برامج حاسوبية تعتمد على نظرية الكم التقليدية بالإضافة لنظرية الكثافة الوظيفية.

3-5- البنية الكيميائية

يعد التصوير البلوري باستخدام الأشعة X من أكثر الطرق المستخدمة بشكل عام لتحديد بنية الجزيئات بثلاثة أبعاد.

• تم اكتشاف الانحراف الضوئي للأشعة X من قبل Max Von Laue في عام 1912.

وهذا الاكتشاف أدى لمنحه جائزة نوبل للفيزياء عام 1914 .

• أما استخدام هذه الأشعة لتحديد البنية البلورية فقد تم تطويره من قبل Sir William Bragg، وابنه Sir Lawrence Bragg .

وقد تشاركا جائزة نوبل للفيزياء في عام 1915.

• إن أول جائزة نوبل للكيمياء لأجل استخدام الانحراف الضوئي للأشعة X ذهبت للعالم Petrus (Peter) Debye من برلين وذلك في عام 1936.

لم يدرس Debye البلورات بل الغازات، والتي تعطي نماذج انحراف ضوئي أقل تمايزاً.

وقام بالأتي:-

•  وظَف أيضاً الانحراف الضوئي للإلكترون.
• قام بقياس عزم القوة ثنائي القطب.

وهذا للحصول على المعلومات التي تخص بنية الجزيئات.

إن عزم القوة ثنائي القطب يتواجد في الجزيئات التي تكون فيها الشحنة الموجبة ،والسالبة متوزعة بشكل غير مستو وتدعى بالجزيئات القطبية.

جائزة نوبل في الكيمياء لتحديد بنية الجزيئات

تم منح العديد من جوائز نوبل لتحديد بنية الجزيئات الحيوية الكبرى (البروتينات والأحماض النووية)، وسوف نرتبها بالشكل التالي:-

تعد البروتينات سلاسل طويلة من الأحماض الأمينية كما تم إظهارها من قبل Emil Fischer (انظر القسم 2).

أما الخطوة الأولى لتحديد تركيبها كانت بتحديد ترتيب (أو تتالي) هذه الأحماض الأمينية.

وتم تطوير طريقة مبتكرة لهذه المهمة المملة من قبل العالم Frederick Sanger من جامعة Cambridge .

• لأنه قد  نشر تتالي الأحماض الأمينية لبروتين الأنسولين في عام 1955.
• ونتيجة هذا الإنجاز فقد مُنح جائزة نوبل للكيمياء في عام 1958.
• تلقى Sanger لاحقاً جائزة نوبل ثانية في مجال الكيمياء.

وذلك لابتكاره طريقة لتحديد تتالي النكليوتيدات في الأحماض النووية (انظر القسم 3-12)،ويعد بذلك العالم الوحيد حتى الآن الذي تلقى جائزتي نوبل للكيمياء.

جائزة نوبل في الكيمياء لعلماء البنى البلورية

• تم نشر أول بنى بلورية للبروتين من قبل العالمين Max Perutz و Sir John Kendrew في عام 1960.

وتشارك هذين الباحثين جائزة نوبل للكيمياء في عام 1962.

• بدأ Perutz دراسة الصبغة الدموية الحاملة للأوكسجين (الهيموغلوبين)، بالمشاركة مع Sir Lawrence Bragg في Cambridge عام 1937.

والذي اجتمع لاحقاً بعد عشر سنوات بالعالم Kendrew الذي بحث بالبنية البلورية المتعلقة بصباغ العضلات (بروتين الميوغلوبين).

• تعد بنية الحلزون ɑ (ɑ-helix) التي اقترحها Pauling (انظر القسم 3-4) هي البنية الأساسية للبروتينين السابقين.

وهذا ما أدى لإمكانية تمييز الخصائص الأساسية للبنى مقارنة بالتحديد الضعيف نسبياً لها عند بداية استخدامها.

• وفي نفس العام الذي نال فيه Pertuz و Kendrew الجائزة، ذهبت جائزة نوبل للطب إلى العلماء Francis Crick و James Watson و Maurice Wilkins لاكتشافاتهم المتعلقة بالبنى الجزيئية للأحماض النووية.
• وبعد عامين (في عام 1964) تلقى العالم Dorothy Crowfoot Hodgkin جائزة نوبل للكيمياء لتحديد البنى البلورية للبنسلين وفيتامين B₁₂.
• تم لاحقاً منح جائزتي نوبل للكيمياء في مجال التصوير البلوري وذلك للعمل على تحديد بنية جزيئات صغيرة نسبياً.
• تلقى العالم William N.Lipscomb من جامعة Harvard جائزة نوبل عام 1976.

وذلك لدراسته البنى المتعلقة بالبورانات (مركبات متعددة الهيدريد) موضحةً مشاكل الارتباط الكيميائي .

• في عام 1985 تشارك العالمان Herbert A.Hauptman من Buffalo و Jerome Karle من Washington,DC الجائزة لتطويرهما طرق مباشرة لتحديد البنى البلورية .
• وسميت هذه الطرق بالمباشرة لأنها تؤدي لتحديد البنية مباشرةً من البيانات التي يتم جمعها عن الانحراف الضوئي.

. وأصبحت طرق ضرورية ولا يمكن الاستغناء عنها في تحديد البنى لعدد كبير من المنتجات الطبيعية.

التصوير البلوري

• تم تطوير المجهر الإلكتروني الذي يعتمد على التصوير البلوري من قبل العالم Sir Aaron Klug من جامعة Cambridge، والذي مُنح جائزة نوبل للكيمياء في عام 1982.
• تمكن Klug بهذه التقنية من تحري بنية معقدات كبيرة مثل:-

(أحماض نووية – بروتين) كالفيروسات و الكروماتين والذي يعد الجزيء الحامل للمعلومات الوراثية (الجينات) في نواة الخلية.

إن العديد من العمليات الأكثر أهمية للحياة تقوم بها البروتينات المرتبطة بالأغشية الحيوية.

وعلى سبيل المثال:-

فإن العمليتين المفتاحيتين في استقلاب الطاقة هما:-

التنفس والتركيب الضوئي، وإن المحاولات لتحضير بلورات لبروتينات الأغشية من أجل الدراسات البنيوية قد باءت بالفشل لعدة سنوات.

•  في عام 1982 تمكن العالم Hartmut Michel من معهد ماكس بلانك في مدينة Martinsried من بلورة مركز تفاعل التركيب الضوئي بعد جهد كبير من سلسلة من التجارب.
• ثم عمد إلى تحديد البنية ثلاثية الأبعاد لهذا المعقد البروتيني.

وكان ذلك بالتعاون مع Johann Deisenhofer و Robert Huber وتم نشر ذلك في عام 1985.

• تشارك Deisenhofer و Huber و Michel جائزة نوبل للكيمياء في عام 1988.
• قام Michel أيضاً فيما بعد ببلورة وتحديد بنية الأنزيم النهائي في عملية التنفس وبتحديده لهذين البنيتين.
• فقد أتاحت القيام بدراسات مفصلة حول تفاعلات انتقال الإلكترون، (انظر الأقسام 3-3 و 3-4) ،واقترانها بمضخة البروتون والتي تعد الخصائص المفتاحية لآلية التناضح الكيميائي.

والتي نال من أجلها سابقاً العالم Peter Mitchel جائزة نوبل للكيمياء في عام 1978 (انظر القسم 3-12).

إن الدراسات الوظيفية والبنيوية لأنزيم اصطناع مركب ATP المترابطة مع آلية مضخة البروتون.

• قد مُنح للعمل بها نصف جائزة نوبل للكيمياء في عام 1997.

وتم مشاركتها بين العالمين Paul D.Boyer و John Walker (انظر القسم 3-12).

3-6- الكيمياء النووية واللاعضوية

ارتبط معظم التطور في مجال الكيمياء اللاعضوية خلال القرن العشرين بالاستكشافات المتعلقة بالمركبات التناسقية (التساندية) مثل المركب الحاوي على شاردة معدنية مركزية محاطة بعدد من الروابط التساندية تدعى بالمرتبطات (Ligands).في عام 1893 قدَم العالم Alfred Werner  من مدينة Zurich نظريته التساندية وفي عام 1905 لخص أبحاثه في هذا المجال الجديد من الكيمياء في كتاب يدعى (Neuere Anschauungen auf dem Gebiete der anorganischen Chemie) والذي ظهر بما لا يقل عن خمس إصدارات بين عامي 1905-1923 .

تم الاعتقاد سابقاً بأن المركبات التي تحتوي على شاردة معدنية ترتبط بعدة جزيئات أخرى (المرتبطات) مثل الأمونيا بأنها تمتلك بنية خطية وذلك وفقاً للنظرية التي تم تطويرها من قبل الكيميائي السويدي Wilhelm Blomstrand من مدينة Lund.

أظهر Werner أن هذا التركيب متناقض مع بعض الحقائق التجريبية واقترح بدلاً منه أن جميع الجزيئات المسماة بالمرتبطات تعد مرتبطة مباشرة بالشاردة المعدنية. نال Werner جائزة نوبل للكيمياء في عام 1913.

قام العالم Taube^,s بإجراء أبحاثه حول انتقال الإلكترون مستخدماً المركبات التساندية بشكل أساسي ونال جائزة نوبل عام 1983 (انظر القسم 3-3) .

كما يعد الفيتامين B₁₂ بالإضافة لبروتينات الهيموغلوبين والميوغلوبين، والتي تم استكشافها من قبل الحائزين على الجائزة وهم Hodgkin و Pertuz و Kendrew (انظر القسم 3-5) أيضاً يمكن تصنيفها في هذه الفئة من المركبات.

جوائز نوبل في الكيمياء اللاعضوية

• تم منح جائزة نوبل للعمل في مجال الكيمياء اللاعضوية إلى العالم Fritz Haber من برلين وذلك في عام 1918.

وذلك لإيجاده طريقة اصطناع الأمونيا انطلاقاً من العنصرين المكونين لها وهما الهيدروجين والنتروجين.

تأتي أهمية هذا الاصطناع في بادئ الأمر في تطبيقه الصناعي لتشكيل طريقة Haber-Bosch والتي تم تطويرها من قبل Carl Bosch كتحسين لطريقة Haber الأصلية (بإشارة لوصية نوبل).

وتسمح هذه الطريقة بتصنيع أكبر كمية من الأمونيا ومن ثم يمكن استخدام الأمونيا لإنتاج مختلف المركبات الكيميائية الحاوية على النتروجين.

• تشارك Bosch جائزة نوبل للكيمياء مع Friedrich Bergius في عام 1931 (انظر القسم 3-13).

النشاط الإشعاعي والكيمياء اللاعضوية

إن معظم الكيمياء اللاعضوية في بداية القرن العشرين كانت نتيجة طبيعية لاكتشاف النشاط الإشعاعي في عام 1896، والذي نال من خلاله العالم Henri Becquerel من باريس جائزة نوبل للفيزياء في عام 1903 بالمشاركة مع العالمين Pierre و Marie Curie.

كما تلقت Marie Curie جائزة نوبل للكيمياء في عام 1911 وذلك لاكتشافها عناصر الراديوم والبولونيوم وعزلها لعنصر الراديوم ودراستها لمركباته وهذا ما جعلها الباحثة الأولى التي تنال جائزتي نوبل.

ذهبت الجائزة في عام 1921 إلى العالم Frederick Soddy من Oxford لعمله في كيمياء العناصر المشعة و مصدر النظائر.

• في عام 1934 اكتشف Frederic Joliot وزوجته Irene Joliot-Curie وهي (ابنة ماري وبيير كوري) النشاط الإشعاعي الصناعي.

أي إنتاج عناصر جديدة نشطة إشعاعياً عبر قذف عناصر غير نشطة إشعاعياً بالجسيمات أو النترونات، وقد نالا جائزة نوبل للكيمياء في عام 1935 لاصطناعهما عناصر جديدة نشطة إشعاعياً.

• إن الكثير من العناصر تعد مزائج لنظائر غير نشطة إشعاعياً (انظر القسم 3-1).
• وفي عام 1934 نال العالم Harold Urey من جامعة كولومبيا جائزة نوبل للكيمياء لعزله الهيدروجين الثقيل (الديتيريوم).
• قام Urey أيضاً بعزل نظائر اليورانيوم وكان عمله أساساً هاماً لأبحاث العالم Otto Hahn من برلين.
• وفي محاولة لتشكيل عناصر الترانسورانيوم، وهي عناصر ذات عدد ذري مرتفع أكثر من 92 (العدد الخاص باليورانيوم) وذلك عبر قذف اليورانيوم بالنترونات اكتشف Hahn ،أن أحد النواتج كان الباريوم وهو عنصر أخف وزناً.

أما Lise Meitner في الوقت الذي كان فيه لاجئاً من النازية في السويد:-

• فقد عمل مع Hahn وأول من قام بالخطوة الأولى لتجارب قذف اليورانيوم مزوداً ذلك بتوضيح يعني أن ذرة اليورانيوم قد انقسمت وكان الباريوم إحدى النواتج.
• نال Hahn  جائزة نوبل للكيمياء في عام 1944 لاكتشافه انشطار النواة الثقيلة، وإنه لأمر غريب كيف لم يتم ضم Meitner  لهذه الجائزة.
• إن ما قصد Hahn الوصول إليه في تجاربه الأولية تمكن من إنجازه العالمين Edwin M.McMillan  و Glenn T. Seaborg من Berkeley وقد نالا جائزة نوبل للكيمياء في عام 1951 لاكتشافاتهما في كيمياء عناصر الترانسورانيوم.

استخدام النظائر المستقرة والنشطة إشعاعياً

إن استخدام النظائر المستقرة والنشطة إشعاعياً له تطبيقات هامة ليس فقط في الكيمياء بل أيضاً في مجالات الجيولوجيا (علم الأرض) و الأركولوجيا (علم الآثار). في عام 1943 تلقى العالم Geoege de Hevesy  من ستوكهولم جائزة نوبل للكيمياء لقيامه باستخدام النظائر ككواشف (متتبعات للأثر) في الأبحاث المتعلقة بالكيمياء اللاعضوية وكيمياء علم الأرض (geochemistry) بالإضافة للاستقلاب في الكائنات الحية. ومُنحت الجائزة في عام 1960 للعالم Willard F. Libby  من جامعة كاليفورنيا, لوس أنجلوس (UCLA) لطريقته في تحديد عمر أشياء عديدة ( ذات أصل جيولوجي أو أركولوجي) وذلك بإجراء القياسات لنظير الكربون 14 النشط إشعاعياً.

المصدر:

Bo G. Malmström , Bertil Andersson.| (n.d).|The Nobel Prize in chemistry:The Development of Modern Chemistry.| NobelPrize.| Retrieved (28/5/2017).| From:

http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/themes/chemistry/malmstrom/index.html