اصطناع عضوي

Organic synthesis - Synthèse organique

الاصطناع العضوي

الاصطناع العضوي

الاصطناع العضوي والاصطناع اللاعضوي

الأجهزة والتقنيات المستخدمة في المخابر والصناعة

الطرائق الفيزيائية المستخدمة في الاصطناع العضوي

 

الاصطناع العضوي organic synthesis هو الفرع من الكيمياء العضوية الذي يرمي إلى تحضير المركبات العضوية بالتركيب. وعادةً يتم التفريق بين الاصطناعات الكلية والاصطناعات الجزئية. يتضمن الاصطناع الجزئي تحضير مادة ما بدءاً من مواد أبسط منها باستخدام التفاعلات، أما الاصطناع الكلي فهو اصطناع المادة المطلوبة انطلاقاً من عناصرها مثل الكربون والهدروجين والأكسجين، وبالتالي يؤلف الاصطناع الكلي غالباً سلسلة من الاصطناعات الجزئية. وقد رافق الاصطناع العضوي منذُ القدم «الكيمياء العضوية»، ذلك الفرع من الكيمياء الذي كان يتناول المركبات النباتية والحيوانية. فقد عرف الإنسان الأول التفاعلات الكيميائية منذ اكتشاف النار، كما استعملت النيلة لصبغ الأقمشة، وورد ذكر تخمر العنب الذي يقود إلى الغول الإتيلي ومن ثم إلى حمض الخل.

كان الاعتقاد السائد قديماً أن الأعضاء المختلفة هي التي تقوم بالاصطناع مولِّدة منتجات جاهزة، أي إن المواد العضوية لا تتكون إلا في الأجسام الحية، وبالتالي تتميز تلك المركبات بصفات خاصة تمنع تحضيرها خارج المواد الحية، حتى تمكن فريدريك فهلرFriedrich Wöhler عام 1928 من تحضير البولة بتسخين سيانات الأمونيوم المركب اللاعضوي (المعادلة 1):

وهكذا بدأ فجر الاصطناع العضوي بشكله الدقيق المبني على التجربة والقياس اعتماداً على التقدم الكبير الذي حققته طرائق التحليل الكيفي والكمي؛ ما ساعد لافوزييه Lavoisier على إثبات أن المركبات العضوية تتكون بصورة رئيسية من الكربون والهدروجين والآزوت، إضافة إلى عناصر أخرى تدخل في تركيبها مثل الكبريت والفسفور والهالوجينات والمعادن. وهكذا يمكن القول إن الاصطناع العضوي تفاعلات كيميائية محددة، تعتمد على مركبات الكربون وتحولاتها رغم أن الكربون نفسه والكثير من مركباته تنتسب إلى المركبات اللاعضوية.

تطورت هذه التفاعلات مع تطور الزمن، وتحسنت طرائق التجربة وأدواتها، ما أدى إلى معرفة خواص الكربون رباعي التكافؤ وإمكانية تشكيله السلاسل الكربونية المفتوحة والحلقية وارتباطه بذاته، أو بالعناصر الأخرى لتشكيل الصيغ البنيوية المستوية أو الصيغ ثلاثية الابعاد(الصيغ الهيكلية).

يدخل الاصطناع العضوي بمواده الكثيرة الناجمة عنه في صميم حياة الإنسان، فلا يمكن في هذا العصر تصور الحياة من دون استخدام تلك الإنجازات الضخمة، ومن دون الاستفادة منها. لقد حلت المركبات الصنعية ذات الجزيئات الضخمة مثل اللدائن، والمطاط، والبلاستيك محل المواد الأخرى التي عرفها الإنسان كالخشب، والزجاج، والمعادن وتفوقت عليها بالخواص والميزات. كذلك الأمر فإن للمواد الدوائية التي تُحضَّر في المخابر دوراً فعالاً ومهماً على صحة الإنسان وإطالة عمره والقضاء على كثير من الأمراض التي تصيبه، وأيضاً الصناعات الغذائية والنسيجية التي ساعدت على رفاهية البشر، إضافة إلى المبيدات الحشرية، ومسرِّعات النمو المستخدمة في الزراعة الحديثة التي تؤدي إلى زيادة الإنتاج سعياً نحو الأمن الغذائي .هذا ولابد من القول إن مجال الاصطناع العضوي قد توسع بازدياد المواد والمركبات المحضرة صنعياً وتعمق أيضاً في اختيار مواد ذات خواص لا وجود لها في الطبيعة وتصنيعها، وبالحقيقة انتقل الاصطناع العضوي من مجاله المخبري ضمن تفاعلات محددة وتجارب مدروسة في المدارس والجامعات إلى عالم الصناعة الرحب، فصُنِّعت المواد المطلوبة بكميات كبيرة وبمواصفات مميزة وأحياناً ضمن شروط ومواصفات محددة. من المعلوم أن الهدف من أي عملية اصطناع هو الحصول على مركب محدد بشكله النقي وبمردود اقتصادي عالٍ؛ مما يوجب انتقاء المركبات والتفاعلات التي تشكل مركباً واحداً لا أكثر خلال تفاعلها، والابتعاد عن التفاعلات التي تقود إلى خليط من المركبات ، كما لا يخفى ولا تُهمل حالياً الجدوى الاقتصادية التي تدخل في توجيه الكثير من الصناعات. وكل ذلك يوجب اختيار المواد المتوفرة محلياً وإجراء التفاعلات قليلة المراحل توفيراً للمال وكسباً للوقت.

الاصطناع العضوي والاصطناع اللاعضوي

أدى التطور السريع لعلم الكيمياء إلى توضيح الفروق الكثيرة بين المركبات العضوية المتعددة (مركبات الكربون) لكون الكربون رباعي التكافؤ وقادراً على تشكيل سلاسل كربونية خطية أو متفرعة عبر الروابط المشتركة بأشكالها المعروفة (الأحادية، والثنائية، والثلاثية)، وبين المركبات اللاعضوية المتعددة أيضاً والناتجة من الارتباط الشاردي (الإيوني) بين المعادن واللامعادن. ومن المعروف وجود فروق بالخواص والفعالية بين هذه المركبات أو تلك من حيث طرائق التحضير المخبرية وتحديد البنى ودراسة الخواص وكل ما يتعلق بدراستها. وعلى الرغم من تشابه بعض التقنيات المخبرية البسيطة مثل التسخين والترشيح والتقطير فقد فرقت التقنيات الحديثة بينها. فأهداف الاصطناع العضوي حالياً والتقنيات المستعملة مثل المطيافيات IR وUV وNMR وطيف الكتلة والمنهجية المستخدمة ومراحل الاصطناع العضوي وخواص النواتج المتعددة، كلها مجتمعة أوجبت التفريق بين هذين الاصطناعين وبين مخابرهما وما تحتويه من أجهزة رغم وحدة الهدف البحثية أو العلمية في تحضير مركبات ومواد جديدة ودراسة خواصها وفوائدها الحياتية.

الأجهزة والتقنيات المستخدمة في المخابر والصناعة

تُعد الكيمياء العضوية وبالتالي «الاصطناع العضوي» من العلوم التجريبية التي تحتاج إلى مخابر مجهزة بأدوات وأجهزة كثيرة سريعة التطور. وعادة تُصنع الأوعية والأدوات من زجاج خاص ثابت حرارياً وعاطل كيميائياً ومقاوم لفعل الحموض والأسس والكواشف الكيميائية المختلفة، وفيما يلي بعضُ الأدوات والتقنيات المخبرية.

الأدوات الزجاجية العامة:

وهي ذاتُ الاستعمال الدائم في مخابر الكيمياء والصناعة، وأهمها أنابيب الاختبار والكؤوس الكيميائية (أو البياشر) والأقماع والدوارق وهي أوانٍ زجاجية أسطوانية أو مخروطية الشكل وتمتاز بجدران رقيقة، وذات حجوم مختلفة، وقد تكون مدرَّجة أو غير مدرَّجة (الشكل 1).

الشكل (1): نماذج مختلفة من الأنابيب والكؤوس والدوارق والأقماع

الأدوات الزجاجية الخاصة:

وهي كثيرة ومتعددة الشكل والحجم والاستعمال مثل المبرِّدات (المكثفات)، وتستعمل على نحو واسع في المخابر العضوية من أجل تكثيف الأبخرة المنطلقة من مختلف عمليات التقطير والاستخلاص، وهي عادة فارغة أو مملوءة بالماء، وذات أشكال مستقيمة أو مائلة. وهناك المجففات الزجاجية التي تستخدم للتجفيف البطيء، وحفظ المواد التي تمتص رطوبة الهواء. وتصنع عادة من الزجاج السميك، وبأحجام وأشكال مختلفة، وتزود بفتحة تخلية كي تعمل تحت ضغط منخفض. كما يمكن التجفيف بأنابيب كلوريد الكلسيوم المستخدمة للوقاية من الرطوبة أو ثنائي أكسيد الكربون أو غيرها. وتوجد أيضاً القطّارات المستخدمة من أجل السوائل التي تستهلك على شكل قطرات، ومصائد القطرات وهي مخصصة لالتقاط القطرات المجروفة بالبخار. (الشكل 2).

الشكل (2): نماذج مختلفة من المبردات وأعمدة التقطير والمجففات

الأوعية الزجاجية المصنفرة والمدَّرجة:

تعدّ الأوعية الزجاجية المصنفرة الأكثر سهولة في الاستخدام؛ لأن وصلاتها آمنة، وتوفر إغلاقاً محكماً للأجهزة، وتكون الفتحات عادة بقياسات مختلفة ومصنفرة. ولابد من ذكر أوعية القياس الحجمية المستخدمة عادة في المخابر التحليلية، ومنها المقاييس المدرجة والماصات والسحاحات والدوارق الحجمية المختلفة. (الشكل 3).

الشكل (3): أدوات مصنفرة أو مدرجة

الأدوات المصنوعة من الخزف والمواد المقاومة للحرارة:

هناك أدوات كثيرة مصنوعة من الخزف، تمتاز بمتانتها ومقاومتها للحرارة، وهي كثيرة ومتعددة كالكؤوس والجفنات والأجران والبواتق، ولها أشكال و حجـوم مختلفة. وأيضاً استعملَ الكثير من الأوعية المصنَّعة من الكوارتز الشفافة كالزجاج أو غير الشفافة، وهي ثابتة تجاه الحرارة وعاطلة كيميائياً، يمكن تسخينها على لهب مباشر حتى الدرجة 0021oس وتبريدها على الفور بتغطيسها بالماء. ومنها الدوارق والأنابيب والكؤوس، وأخيراً لابد من ذكر القوائم والحوامل المعدنية أو الخشبية والمناصب الثلاثية والملاقط المعدنية أو الخشبية.

الطرائق الفيزيائية المستخدمة في الاصطناع العضوي:

يجب بعد إجراء التحضيرات أو الاصطناعات العضوية المختلفة التأكد من النتائج، ويتم ذلك بتحديد البُنى الكيميائية للمركبات المصنَّعة، أو تعرف بُنى منتجات طبيعية حديثة الاستخلاص. لقد كانت معرفة الثوابت الكيميائية البسيطة مثل درجة الانصهار أو درجة الغليان وتحديد الكتل الجزيئية تُعطي معلومات تقريبية حدسية تساعد على تحديد البُنى والتعرف إليها، يُضاف إليها التحليل الكيفي والكمي، وخاصة التحليل العنصري الذي يحدد النسب المئوية للعناصر الداخلة في تركيب مادة ما. إلا أنه تُستخدَم حالياً طرائق فيزيائية متطورة، وناجحة للبحث في بنية الجزيئات وتحديد سلوكها وخواصها بكل سهولة ودقة، ومن أهم هذه الطرائق مطيافات الامتصاص spectrophotometers إذ صمّمت أجهزة تحليل باستخدام أطوال موجية محددة وفي مجالات مختلفة تمتد من ما فوق البنفسجي UV إلى المرئي وصولاً إلى ما تحت الأحمر IR. كما استعمل أيضاً الرنين (التجاوب) النووي المغنطيسي nuclear magnetic resonance، ومطيافية الكتلة (طيف الكتلة) mass spectroscopy واستعملت طرائق الاستشراب اللوني (الكروماتوغرافيا) chromatography لفصل المركبات وتنقيتها.

أمثلة على الاصطناع العضوي

الجزيئات الضخمة العضوية (البوليمرات)Polymers:

تتألف الجزيئات الضخمة بصورة عامة من تكرار لزمر من أحاديات الحد كي يُبنى جزيء البوليمر أو الجزيء الضخم من آلاف الذرات المرتبطة بعضها ببعض بقوة التكافؤات الأساسية. وتعرف الجزيئات الضخمة بالبولميرات أو المتماثرات. وتنتج عادة من عملية «البلمرة»، وهي انضمام الجزيء وحيد الحد(المونومير) أو إضافته إلى نفسه لتشكيل جزيء ضخم من دون أن يرافق ذلك نواتج ثانوية:

حيثُ M : جزيء المونومير(الجزيء الأساسي).

Mn : جزيء البوليمر (الجزيء الضخم).

وتنتج هذه العملية من خلال ثلاثة مراحل هي:

المبادرة initiation : وتعتمد على تشكيل جسيمات فعالة (مراكز فعالة)، كي تتفاعل بدورها مع المونومير وتكون جزيئاً جديداً وهكذا يبدأ التفاعل.

النمو propagation: يتم في هذه المرحلة انضمام جزيئات المونومير بعضها إلى بعض، ويكون الترابط في جميع الاحتمالات الممكنة بعد ارتباط المركز الفعال بجزيء المونومير الأول وتشكيل جزيء جديد حاوٍ على مركز فعال. ينضم هذا الجزيء الجديد بدوره إلى مونومير آخر، وهكذا تستمر العملية ويبنى الجزيء الضخم.

الإنهاء termination: يتم في هذه المرحلة اختفاء الجذور الفعالة في الجملة بارتباط بعضها ببعض، أو تصبح غير قادرة على الاتحاد مع جزيئات المونومير، ويتم ذلك عادة بإضافة مثبط أو مانع للتفاعل.

ولابد من التنويه إلى تعدد الجزيئات الضخمة المصنعة حالياً بطرائق مختلفة ومن مواد مختلفة، ولا يمكن تصور العالم الآن وقد خلا من كل هذه المواد التي غزا استعمالها كل مجالات الحياة.

صناعة المنسوجات:

تعتمد صناعة المنسوجات على الألياف التي يمكن تقسيمها إلى قسمين رئيسيين، هما:

1- الألياف الطبيعية: تعتمد على المنتجات الطبيعية مثل القطن والصوف والحرير الطبيعي، ومن المعلوم أن هذه المواد تؤخذ من النبات أو الحيوان. ويجري عليها عدد من العمليات الكيميائية للتنظيف وإزالة الشوائب العالقة، يتبعها إجراءات صناعية توافق كل مادة من صباغ وغزل ونسج. وتكون خفيفة ناعمة قليلة السمك مثل المنسوجات القطنية، أو سميكة مثل المنسوجات الصوفية، أما منسوجات الحرير الطبيعي فتمتاز بألوانها الزاهية ولمعانها. وقد صُنعت ألياف كيميائية من السلولوز الطبيعي مثل ألياف الفسكوز viscose، تميزت بمزايا كبيرة عن الألياف الاصطناعية.

2 - الألياف الصنعية: تطورت صناعة الألياف الصنعية كثيراً وخاصة في الآونة الأخيرة، وتحسنت خواصها، وتعددت طرائق استخدامها. وهي من دون شك متعددة الأنواع والمصادر، منها:

- الألياف متعددة الأميدpolyamides .

- الألياف متعددة الإستر polyesters.

- الألياف متعددة الأكريلونتريلpolyacrylonitriles، وهذه الأخيرة ذات أهمية خاصة في الصناعات النسيجية، وذلك بسبب مقاومتها وثباتها تجاه العوامل الطبيعية.

صناعة الأغذية:

عرف الإنسان منذُ القدم صناعة السكر واستخراجه من قصب السكر أو من الشوندر، كما عرف الزيوت والدهون وقام بمعالجتها والاستفادة منها في الغذاء أو في المجالات الأخرى، ولا يخفى عن البال الملونات والمنكهات ذات المصادر الطبيعية أو الصنعية التي غزت العالم والغذاء في هذا العصر.

معالجة الزيوت(هدرجة الزيوت):

الزيوت ماده مهمة في الحياة واستخداماتها كثيرة، وهي ذات منشأ حيواني (زيوت حيوانية) أو منشأ نباتي (زيوت نباتية).

تُعد الزيوت والدهون مواد غير ذوابة في الماء، وهي إسترات الغليسرين مع الحموض الدسمة (المعادلة 2):

 

يسمى الناتج غليسيريداً، وقد يكون بسيطاً أو مختلطاً وفق الحموض المستعملة التي تؤثر كثيراً في صفات المنتجات. تكون هذه الحموض الدسمة عادة مشبعة أو غير مشبعة. ويمكن تحديد مواصفات الزيوت بعدد من القرائن المعروفة مثل قرينة الحموضة وقرينة التصبن وقرينة اليود.

تُهدرَج الزيوت لتحويلها إلى شحوم صلبة (دهون) تصلح لصناعة المرغرين (السمنة)، وللتخفيف من الرائحة الكريهة لزيوت الأسماك، ولتسهيل نقلها كمواد صلبة. أما مفهوم الهدرجة فهو انضمام الهدروجين إلى الروابط الثنائية بوجود وسيط مناسب.

الصناعات الدوائية:

دخل الاصطناع العضوي في قلب صناعة الأدوية. حيثُ الحاجة إلى كميات كبيرة من الأدوية، وبمواصفات ومسوغات مختلفة مما أدى إلى تطور كبير في الصناعة. ويذكر هنا اصطناع الأسبيرين ذلك الدواء المهم والقديم، والذي حُضِرَ بأستلة حمض السالسيليك ببلاماء حمض الخل وفق المعادلة (3):

وبعد إتمام التفاعل يُنقى الأسبيرين بالغسيل والبلورة في حمض الخل، ومن ثم في الإتانول. وهو مادة صلبة تتبلور على شكل إبر أو صفائح، وهي عديمة اللون ورديئة الانحلال في الماء. ويستعمل خافضاً للحرارة ومسكناً للألم.

 

فايز فلوح 

 

مراجع للاستزادة - وفائي حقي ويحيى قدسي، الكيمياء العضوية (4) المطيافية والاصطناع العضوي، جامعة دمشق، 2011-2010. - مجموعة من أساتذة قسم الكيمياء، الكيمياء العضوية (1) الجزء النظري، الجزء العملي، جامعة دمشق، 2000-1999. - P. Laszlo. et P.J. Stang, Spectroscopie Organique , Hermann-Paris, 1972.

---

- التصنيف : الكيمياء العضوية - النوع : الكيمياء العضوية - المجلد : المجلد الثاني مشاركة :