براون وفيتيج: استخدام البورون والفسفور في عمليات التصنيع العضوي

(١) تفاعل الهيدروبورونية

أيًّا كان الأمر، اهتم براون بشدة بكيمياء عنصر البورون، وقرَّرَ تحضير رسالة دكتوراه مع البروفيسور إتش آي شليسينجر في هذا المجال في جامعة شيكاجو، وقد حصل عليها في عام ١٩٣٨. وكباحث ما بعد الدكتوراه، استمر براون في العمل مع شليسينجر على مركبات من البورون واليورانيوم تحت رعاية وزارة الدفاع في أثناء الحرب العالمية الثانية. وفي أثناء هذا العمل، طوَّرَا معًا طرقًا جديدة وعملية لإعداد بوروهيدريدات الصوديوم والليثيوم.

شكل ٣١-١: هربرت سي براون.

بعد أربع سنوات في الكلية بجامعة وين ستيت في ديترويت، انتقل براون إلى جامعة بيرديو أستاذًا للكيمياء غير العضوية حيث استمر في اهتمامه بمركبات البورون. وتمَّ البحث الذي أُجرِيَ على بوروهيدريد الصوديوم بموجب عقودٍ حكوميةٍ أثناء الحرب، ولم يكن بالإمكان نشر نتائجه لعدة سنوات بعد الحرب؛ لأنها كانت سرية. أما البحث الخاص بهيدريد ألمونيوم الليثيوم، فقد أُجري بعد الحرب، ولم تصادفه تلك الصعوبة، فنُشِر قبل البحث الآخَر وجذب إليه قدرًا كبيرًا من الانتباه من جانب المجتمع الكيميائي.

في خمسينيات القرن العشرين في جامعة بيرديو، بدأ براون برنامجًا شاملًا لدراسة تأثيرات المذيبات والمواد البديلة وأيونات الفلزات على الخصائص المختزلة لبوروهيدريد الصوديوم، المركب الذي شعر براون أنه تجاهله بسبب الشهرة السابقة لهيدريد ألومنيوم الليثيوم. وكان من المعروف أن بوروهيدريد الصوديوم يختزل (أي يضيف ذرة هيدروجين إلى) روابط الكربون-الأكسجين المزدوجة للمركبات المعروفة بالإسترات مثل بنزوات الإثيل وستيارات الإثيل، عندما يتم تحفيز (تسريع) التفاعل بوجود كلوريد الألومنيوم إلى جانب بوروهيدريد الصوديوم. وكان كل إستر من الإسترَيْنِ يأخذ ذرتَيْ هيدروجين من كمية مكافئة من بوروهيدريد الصوديوم، لكن عندما أُجريت تجربة مقابلة باستخدام أوليات الإثيل، كانت كمية بوروهيدريد الصوديوم المستخدَمة من قِبل الإثيل مقابلة لأكثر من ذرتَيْ هيدروجين بكثير.

كان الكيميائي الذي يعمل مع البروفيسور براون في تلك التجربة هو الدكتور بي سي سوبا راو، الذي حصل على درجة الدكتوراه من جامعة بيرديو في عام ١٩٥٥ عن بحثٍ قام به تحت إشراف البروفيسور براون، الذي كان لا يزال يعمل معه في تلك الفترة. وعندما ذكر لبراون السلوك غير المألوف لأوليئات الإثيل، أرجعه في البداية إلى الشوائب الموجودة في عينة أوليئات الإثيل. واقترح براون أن يُختبَر هذا التفسير عن طريق التنقية الدقيقة للعينة، مع تكرار التجربة مع المادة المُنقَّاة. ويشير براون في كتابه «البورانات في الكيمياء العضوية» (١٩٧٢) إلى أن «مدير البحث كان في موقفٍ لا يُحسَد عليه جعله يصرُّ على الالتزام بالمعايير العالية؛ إذ لم يكن عليه القيام بالتجربة الفعلية! وأقنعت الدكتور سوبا راو بالرجوع إلى المعمل وتكرار التجربة باستخدام أوليئات الإثيل النقي.»

لكن عند تكرار التجربة كانت النتيجة واحدة؛ مما يعني أن الشوائب في عينة أوليئات الإثيل لم تكن مسئولة عن التفاعل الإضافي مع بوروهيدريد الصوديوم. وفي واقع الأمر، أظهر التكرار الدقيق للتجربة أن أوليئات الإثيل كان يتفاعل مع «ثلاث» كميات مكافئة من بوروهيدريد الصوديوم، في حين أن ستيارات الإثيل كانت تحتاج إلى كميتين مكافئتين فقط؛ حينها أدرك براون أن هذا دليل على أن جزءًا من جزيء أوليئات الإثيل خلاف جزء الكربون-الأكسجين الذي تشاركه مع ستيارات الإثيل، كان يتفاعل مع (يستهلك) بوروهيدريد الصوديوم. وعليه، فالاختلاف بين أوليئات الإثيل وستيارات الإثيل يتمثل في وجود رابطة كربون-كربون مزدوجة في جزيء أوليئات الإثيل لا توجد في ستيارات الإثيل. وأدرك براون أن تلك الرابطة هي المسئولة عن التفاعل الإضافي في حالة بوروهيدريد الصوديوم، وكان هذا غير متوقَّع على الإطلاق.

كانت الخطوة التالية تتمثَّل في اختبار جزيء له رابطة كربون-كربون مزدوجة، وليس رابطة كربون-أكسجين مزدوجة (ألكين بسيط)، لمعرفة إن كانت ستتفاعل مع بوروهيدريد الصوديوم وكلوريد الألومنيوم أم لا. وعندما حدث التفاعل، كان على الباحثين أن يقرروا على وجه التحديد ما كان يحدث؛ لأن هذا التفاعل لم تتم ملاحظته من قبلُ.

قرَّرَ براون أن التفاعل يجب أن يتضمَّن التكوُّن الوسيط لثنائي البوران، الذي ينتج من تفاعل بوروهيدريد الصوديوم وكلوريد الألومنيوم، وكان ثنائي البوران هو ما يُضاف إلى الرابطة المزدوجة منتِجًا ما يُسمَّى بالبوران العضوي. أُجريت تجربة من قبل لملاحظة أثر إضافة ثنائي البوران إلى ألكين. وقد سُمِّي التفاعل بالهيدروبورونية؛ لأنه تضمَّنَ إضافة هيدروجين وبورون إلى جزيء آخَر. وفي دراسة سابقة، حدث هذا التفاعل فقط تحت ظروف تجريبية مشدَّدة وبنتاج كيميائي غير عملي. وخمَّنَ براون أن النجاح في إنتاج هذا التفاعل بنتاج كيميائي جيد وفي ظروف عادية يرجع بالتأكيد إلى التأثير التحفيزي لكلوريد الألومنيوم. وأثبت هو وسوبا راو أن بإمكانهما في واقع الأمر إنتاج ثنائي البوران من بوروهيدريد الصوديوم وكلوريد الألومنيوم في محلول إثير (إن الإثير الذي كانَا يستخدمانه هو مذيب متاح تجاريًّا وغير متطاير، وليس إثير ثنائي الإيثيل المستخدَم كمادة تخدير) في ظروف عادية، وأن ثنائي البوران سيضيف مزيدًا من الخصائص إلى الألكينات البسيطة.

قبل أن ينشر براون وراو تقريرًا عن هذا الإجراء العملي الجديد لتفاعل الهيدروبورونية، الذي أرجَعَا نجاحه إلى التأثير التحفيزي لكلوريد الألومنيوم، قرَّرَا تكرار التجربة للتأكيد على نظريتهما، وذلك في تجربة تستخدم ثنائي البوران مع الألكين في محلول الإثير مع استبعاد كلوريد الألومنيوم. واندهشا حين حدث التفاعل على نحو جيد دون كلوريد الألومنيوم. وبعد مزيد من التفكير والتجريب، استنتجا أن السرَّ وراء نجاح التفاعل كان يكمن في الاستخدام غير المقصود لأحد المذيبات الإثيرية.

طوَّرَ البروفيسور براون وزملاؤه هذا الإجراء إلى طريقة عامة ومفيدة وسريعة لتحضير مركبات البورون العضوية، وبمجرد أن أصبحت تلك المركبات متاحة، استُخدِمت على نحو مفيد جدًّا كمواد وسيطة في تصنيع العديد من المركبات العضوية القيِّمة، التي أغلبها لا يحتوي على الكربون. إن الشاهِد على قيمة هذا الإجراء الذي توصَّلَ إليه براون ومعاونوه لا يقتصر فقط على جائزة نوبل التي حصل عليها براون، ولكن أيضًا الكتب والمجلات والمنشورات البحثية التي قام بها كيميائيون من جميع أنحاء العالم استفادوا من الاكتشاف العَرَضي لتلك «القارة العريضة غير المُستكشَفة» (كما يسمِّيها براون) لتفاعل الهيدروبورونية.

لم يفتح اكتشاف براون المجال لتصنيع جزيئات عضوية معقدة فقط، ولكن لتصنيع الجزيئات العضوية البسيطة أيضًا، التي لا يمكن صنعها جيدًا على أي نحو آخَر. على سبيل المثال، إن كحول الأيزوبروبيل — الذي يمكن أن تجده في أية صيدلية بوصفه المكوِّن الرئيسي لكحول التطهير — يتم تحضيره على نحو سهل ورخيص من البروبيلين، وهي مادة بادئة معتمِدة على البنزين. لكن لا يمكن صنع الأيزومير الخاص به، وهو الكحول البروبيلي (كحول إن-بروبيلي)، على نحو جيد من البروبيلين بسبب المبدأ المحدد في قاعدة ماركوفنيكوف. فعن طريق إجراء الهيدروبورونية الخاص ببراون، يمكن صنع الكحول البروبيلي من البروبيلين باستخدام إجراء يتضمَّن «إضافة عكس قاعدة ماركوفنيكوف» كخطوة، وهو إجراء موصوف تقريبًا في كل مرجع أساسي عن الكيمياء العضوية.

(٢) تصنيع الألكينات

وُلِد جورج فيتيج، الذي شارك براون جائزة نوبل في عام ١٩٧٩، في برلين في عام ١٨٩٧. وهو شاب، أظهر مهارة كبيرة واهتمامًا في كلٍّ من العلم والموسيقى. وثمة شخصية شهيرة أخرى كانت ممزقة على نحو مماثل بين العلم والموسيقى، وهي الكيميائيُّ والمؤلف الموسيقي الروسي ألكسندر بورودين. لا يعرف الكثيرون أن بورودين كان أستاذًا للكيمياء والطب؛ لأنه معروف عنه أنه المؤلف الموسيقي لأولى المقطوعات الموسيقية الروسية المهمة. ومع أننا لا يسعنا أن نعرف ما افتقده العالم على مستوى الموسيقى بسبب تفضيل فيتيج لمجال الكيمياء، فإن العديد من الكيميائيين الذين استفادوا من إسهاماته القيِّمة في الكيمياء العضوية وغير العضوية قد يشعرون بالامتنان؛ لأن الموسيقى لم تستحوذ على الاهتمام الرئيسي لفيتيج. ويوجد عشق ثالث لفيتيج في شبابه وطوال حياته وهو تسلُّق الجبال. ولحسن الحظ أنه كان قادرًا على ممارسة هذا العشق كهواية، والبعض يرى أن ثمة تشابهًا بين تسلُّقه للجبال وطريقته في البحث الكيميائي، وهو أنه كان يستكشف مجالات نادرة وعالية في كلا النشاطين.

بدأ المشوار المهني لفيتيج في جامعة تيوبنجن في عام ١٩١٦، وقاطَعَه الالتحاق بالخدمة العسكرية في أثناء الحرب العالمية الأولى، لكنه أنهى دراسته الجامعية في جامعة ماربورج واستمر هناك حتى حصل على درجة الدكتوراه في عام ١٩٢٦. درس في جامعة ماربورج حتى عام ١٩٣٢، ثم انتقل إلى جامعة براونشفايج للتكنولوجيا، ثم إلى جامعة فرايبورج (بألمانيا)، وفي عام ١٩٤٤ أصبح أستاذًا ومديرًا لمعهد الكيمياء في جامعة تيوبنجن. وفي عام ١٩٥٦، انتقل إلى جامعة هايدلبِرج رئيسًا للقسم، وأصبح أستاذًا فخريًّا هناك في عام ١٩٦٧ قبل أن يشارك إتش سي براون جائزة نوبل في عام ١٩٧٩. تُوفي فيتيج في أغسطس ١٩٨٧ وهو في سن التسعين.

مع أن هذا كان جزءًا صغيرًا من هذه الورقة البحثية، وكان غير متوقَّع على نحو واضح، فمما يدل على إدراك فيتيج لأهميته هو ظهور ورقة بحثية ثانية تقريبًا في وقت متزامن لفيتيج مع باحث آخَر من أحد تلامذته وهو أولريش شولكوبف، تحت عنوان: «ثلاثي فينيل فوسفين الإثيلين كمادة كاشفة مكوِّنة للأولفين.» في هذه الورقة البحثية، ثبت أن التفاعل المكتشَف بالمصادفة تمَّ في ظروف معملية عادية، ويمكن استخدامه في تحضير العديد من الأولفينات (هناك مصطلح أحدث للأولفينات وهو «الألكينات»)، التي لا توجد طريقة أخرى للحصول عليها بسهولة. وتكمن أهمية طريقة تصنيع فيتيج في أنها تسمح بتكوين أولفينات برابطة كربون-كربون مزدوجة في موضع محدَّد في الجزيء، وهو الأمر الذي لم يكن ممكنًا بأية طريقة أخرى معروفة في عام ١٩٥٣ (أو اليوم) لهذا الغرض. وثمة ميزة أخرى لطريقة فيتيج، وهي أن الظروف المعملية العادية التي استخدمها تسمح بإنتاج مواد حساسة لظروف أصعب من حيث درجة الحرارة والمواد الكاشِفة الأقوى.

وسرعان ما صدرت أوراق بحثية أخرى من معمل فيتيج، وأيضًا من معامل كيميائيين آخَرين حول العالم. وعدد الأوراق البحثية هذه لا يُحصَى، لكنَّ مرجِعًا حديثًا ذكَرَ أن ثمة كتابين و٢٥ مقالًا نقديًّا صدرت حول هذا الموضوع. وهناك معيار آخَر لقياس أهمية الاكتشاف، إلى جانب حصول صاحبه على جائزة نوبل، وهو حقيقة استخدام طريقة التصنيع التي اكتشفها فيتيج في تحضير فيتامين إيه بكميات كبيرة.

يظهر حب فيتيج للموسيقى في ورقةٍ بحثيةٍ قدَّمَها في مؤتمر دولي في طوكيو في عام ١٩٦٤. وهو يصف قصة اكتشافه في عام ١٩٥٣ لطريقة التصنيع التي حملت اسمه في ورقة بحثية ذكَرَ فيها أن التفاعل الذي صادفه على نحو عَرَضي كان مماثِلًا للتفاعل الذي اكتشفه هيرمان شتاودنجر قبل ذلك بثلاثين عامًا. وعقد موازنة بين الشكل الكيميائي المختلف عن تفاعل شتاودنجر ومؤلَّفات الموسيقيين الكلاسيكيين المعتمِدة على المؤلَّفات الخاصة بالسابقين عليهم؛ على سبيل المثال، لحْنُ برامس المعتمِد على لحن باجانيني. لكن اكتشاف فيتيج لطريقة عملية لاستخدام المركبات الفوسفورية العضوية في التصنيع كانت مبتكرة وغير معدَّلة من طريقة قديمة. وفي واقع الأمر، أقرَّ فيتيج صراحةً أنه لم يكن على عِلْم بعمل شتاودنجر حتى استعرض المراجع الكيميائية بعد اكتشافه السرنديبي.

إنَّ الإسهامات المتماثلة لكلٍّ من براون وفيتيج التي أقرَّها المسئولون عن جائزة نوبل تتمثل في استخدامهما عنصرين غير كربونيين في تصنيع مركبات عضوية ذات تركيب جزيئي محدَّد بطرق عملية. وكلا الاكتشافين كانا نتيجة مصادفتين تبعتهما الاستجابة الذكية من قِبَل براون وفيتيج، حيث إن عقليهما كانا مستعدين للتعامل مع هاتين الحادثتين العَرَضيتين.