Μόνο το 1% των χημικών ενώσεων έχει ανακαλυφθεί

Πώς θα βρούμε τις άγνωστες χημικές ενώσεις που θα μπορούσαν να αλλάξουν τον κόσμο

Το σύμπαν είναι πλημμυρισμένο από δισεκατομμύρια χημικές ουσίες, η καθεμία από τις οποίες αποτελεί μια νέα προοπτική και δυνατότητα. Και έχουμε εντοπίσει μόνο το 1% αυτών. Οι επιστήμονες πιστεύουν ότι οι ανεξερεύνητες χημικές ενώσεις θα μπορούσαν να βοηθήσουν στην απομάκρυνση των αερίων του θερμοκηπίου ή να προκαλέσουν μια ιατρική επανάσταση όπως η πενικιλίνη.

Από τότε που ο Ρώσος χημικός Ντμίτρι Μεντελέγιεφ επινόησε τον περιοδικό πίνακα των στοιχείων το 1869, ο οποίος είναι ουσιαστικά ένα κουτί Lego για χημικούς, οι επιστήμονες ανακαλύπτουν από τότε τις χημικές ουσίες που βοήθησαν στον καθορισμό του σύγχρονου κόσμου. Χρειαζόμασταν την πυρηνική σύντηξη για να φτιάξουμε την τελευταία παρτίδα στοιχείων, όπως για παράδειγμα το στοιχείο 117, η τενεσσίνη, που συντέθηκε το 2010 με αυτόν τον τρόπο.

Για να κατανοήσουμε όμως την πλήρη κλίμακα του χημικού σύμπαντος, πρέπει να κατανοήσουμε και τις χημικές ενώσεις. Ορισμένες εμφανίζονται στη φύση – το νερό, για παράδειγμα, αποτελείται από υδρογόνο και οξυγόνο. Άλλες, όπως το νάιλον, ανακαλύφθηκαν σε εργαστηριακά πειράματα και κατασκευάζονται σε εργοστάσια.

Τα στοιχεία αποτελούνται από έναν τύπο ατόμου, και τα άτομα αποτελούνται από ακόμη πιο μικρά σωματίδια, συμπεριλαμβανομένων των ηλεκτρονίων και των πρωτονίων. Όλες οι χημικές ενώσεις αποτελούνται από δύο ή περισσότερα άτομα. Συνεπώς πόσες χημικές ενώσεις μπορούμε να φτιάξουμε με τα 118 διαφορετικά είδη στοιχείων Lego που γνωρίζουμε σήμερα;

Η μεγαλύτερη χημική ένωση αποτελείται από 3 εκατ. άτομα

Μπορούμε να ξεκινήσουμε με τη δημιουργία όλων των ενώσεων που αποτελούνται από δύο άτομα. Υπάρχουν πολλές από αυτές: το N₂ (άζωτο) και το O₂ (οξυγόνο) αποτελούν μαζί το 99% του αέρα μας. Ένας χημικός θα χρειαζόταν πιθανότατα περίπου ένα χρόνο για να φτιάξει μία ένωση και υπάρχουν θεωρητικά 6.903 ενώσεις δύο ατόμων. Αυτό σημαίνει ότι ένα χωριό χημικών πρέπει να εργάζεται ένα χρόνο για να φτιάξει κάθε δυνατή ένωση δύο ατόμων.

Υπάρχουν περίπου 1,6 εκατομμύρια ενώσεις τριών ατόμων, όπως το H₂0 (νερό) και το C0₂ (διοξείδιο του άνθρακα), που αντιστοιχούν στον πληθυσμό του Μπέρμιγχαμ και του Εδιμβούργου μαζί. Μόλις φτάσουμε σε ενώσεις τεσσάρων και πέντε ατόμων, θα πρέπει όλοι στη Γη να φτιάξουν από τρεις ενώσεις ο καθένας. Και για να φτιάξουμε όλες αυτές τις χημικές ενώσεις, θα πρέπει επίσης να ανακυκλώσουμε όλα τα υλικά του σύμπαντος αρκετές φορές.

Αυτό βέβαια είναι μια απλοποίηση. Πράγματα όπως η δομή μιας ένωσης και η σταθερότητά της μπορούν να την κάνουν πιο πολύπλοκη και πιο δύσκολη στην παρασκευή της.

Η μεγαλύτερη χημική ένωση που έχει κατασκευαστεί μέχρι σήμερα δημιουργήθηκε το 2009 και αποτελείται από σχεδόν 3 εκατομμύρια άτομα. Δεν είμαστε ακόμη σίγουροι για το τι κάνει, αλλά παρόμοιες ενώσεις χρησιμοποιούνται για την προστασία των φαρμάκων κατά του καρκίνου στο σώμα μέχρι να φτάσουν στο σωστό σημείο.

Σίγουρα δεν είναι δυνατές όλες αυτές οι ενώσεις

Η αλήθεια είναι ότι στη χημεία υπάρχουν κανόνες – αλλά είναι κάπως ελαστικοί, γεγονός που δημιουργεί περισσότερες δυνατότητες για χημικές ενώσεις.

Ακόμα και τα μοναχικά «ευγενή αέρια» (συμπεριλαμβανομένων του νέον, του αργού, του ξένου και του ηλίου), τα οποία τείνουν να μη συνδέονται με τίποτα, σχηματίζουν μερικές φορές ενώσεις. Το υδρίδιο του αργού, ArH⁺, δεν υπάρχει φυσικά στη Γη, αλλά έχει βρεθεί στο διάστημα. Οι επιστήμονες έχουν καταφέρει να φτιάξουν συνθετικές εκδοχές στα εργαστήρια που αναπαράγουν τις συνθήκες του διαστήματος.

Ο άνθρακας κανονικά να συνδέεται με ένα έως τέσσερα άλλα άτομα, αλλά πολύ περιστασιακά, για σύντομες χρονικές περιόδους, θα μπορούσε να συνδεθεί με πέντε (π.χ. το μεθάνιουμ). Φανταστείτε ένα λεωφορείο με μέγιστη χωρητικότητα τεσσάρων ατόμων. Το λεωφορείο βρίσκεται στη στάση κι ο κόσμος ανεβοκατεβαίνει. Ενώ οι άνθρωποι μετακινούνται, σε κάποια χρονική στιγμή το λεωφορείο θα μπορούσε να περιέχει περισσότερα από τέσσερα άτομα.

Ορισμένοι χημικοί περνούν ολόκληρη τη σταδιοδρομία τους προσπαθώντας να δημιουργήσουν ενώσεις που, σύμφωνα με τους κανόνες της χημείας, δεν θα έπρεπε να υπάρχουν. Μερικές φορές οι προσπάθειες είναι επιτυχημένες.

Ένα άλλο ερώτημα που πρέπει να αντιμετωπίσουν οι επιστήμονες είναι αν η ένωση που θέλουν μπορεί να υπάρξει μόνο στο διάστημα ή σε ακραία περιβάλλοντα – σκεφτείτε την τεράστια θερμότητα και πίεση που συναντάμε στις υδροθερμικές πηγές, οι οποίες είναι σαν τους θερμοπίδακες, αλλά στον πυθμένα του ωκεανού.

Πώς οι επιστήμονες αναζητούν νέες ενώσεις

Συχνά η απάντηση είναι ότι αναζητούν ενώσεις που σχετίζονται με ήδη γνωστές. Υπάρχουν δύο βασικοί τρόποι για να το κάνει αυτό κανείς. Η μία είναι να πάρουμε μια γνωστή ένωση και να την αλλάξουμε λίγο – προσθέτοντας, διαγράφοντας ή ανταλλάσσοντας κάποια άτομα. Μια άλλη μέθοδος είναι να πάρουμε μια γνωστή χημική αντίδραση και να χρησιμοποιήσουμε νέα αρχικά υλικά. Αυτό συμβαίνει όταν η μέθοδος δημιουργίας είναι η ίδια, αλλά τα προϊόντα μπορεί να είναι εντελώς διαφορετικά. Και οι δύο αυτές μέθοδοι είναι τρόποι αναζήτησης γνωστών αγνώστων.

Επιστρέφοντας στο Lego, είναι σαν να φτιάχνεις ένα σπίτι, μετά ένα ελαφρώς διαφορετικό σπίτι, ή να αγοράζεις νέα τούβλα και να προσθέτεις έναν δεύτερο όροφο. Πολλοί χημικοί περνούν την καριέρα τους εξερευνώντας έναν από αυτούς τους χημικούς οίκους.

Πώς όμως θα αναζητήσουμε πραγματικά νέα χημεία

Ένας τρόπος με τον οποίο οι χημικοί μαθαίνουν για νέες ενώσεις είναι να εξετάζουν τον φυσικό κόσμο. Με αυτόν τον τρόπο βρέθηκε και η πενικιλίνη το 1928, όταν ο Αλεξάντερ Φλέμινγκ παρατήρησε ότι η μούχλα εμπόδιζε την ανάπτυξη των βακτηρίων.

Πάνω από μια δεκαετία αργότερα, το 1939, ο Χόγουαρντ Φλόρευ βρήκε τον τρόπο να παράγει πενικιλίνη σε χρήσιμες ποσότητες, εξακολουθώντας να χρησιμοποιεί μούχλα. Χρειάστηκε όμως ακόμη περισσότερος χρόνος, μέχρι το 1945, για να προσδιορίσει η Ντόροθι Κρόφουτ Χόντκιν τη χημική δομή της πενικιλίνης.

Αυτό είναι σημαντικό επειδή μέρος της δομής της πενικιλίνης περιέχει άτομα τοποθετημένα σε τετράγωνο, μια ασυνήθιστη χημική διάταξη που λίγοι χημικοί θα μπορούσαν να μαντέψουν και είναι δύσκολο να παραχθεί. Η κατανόηση της δομής της πενικιλίνης σήμαινε ότι γνωρίζαμε πώς έμοιαζε και μπορούσαμε να αναζητήσουμε τα χημικά ξαδέλφια της. Εάν με άλλα λόγια είμαστε αλλεργικοί στην πενικιλίνη και έχει τύχει να χρειαστούμε ένα εναλλακτικό αντιβιοτικό, πρέπει να ευχαριστήσουμε την Κρόφουτ Χόντκιν.

Σήμερα, είναι πολύ πιο εύκολο να προσδιοριστεί η δομή νέων ενώσεων. Η τεχνική των ακτίνων Χ που εφηύρε η Κρόφουτ Χόντκιν στο δρόμο της για τον προσδιορισμό της δομής της πενικιλίνης εξακολουθεί να χρησιμοποιείται παγκοσμίως για τη μελέτη ενώσεων. Και η ίδια η τεχνική μαγνητικής τομογραφίας που χρησιμοποιούν τα νοσοκομεία για τη διάγνωση ασθενειών μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί σε χημικές ενώσεις για την ανάλυση της δομής τους.

Αλλά ακόμη και αν ένας χημικός μαντέψει μια εντελώς νέα δομή που δεν σχετίζεται με καμία ένωση γνωστή στη Γη, θα πρέπει να την παρασκευάσει, και αυτό είναι το δύσκολο μέρος.

Για πολλές χρήσιμες ενώσεις, όπως η πενικιλίνη, είναι ευκολότερο και φθηνότερο να «καλλιεργηθούν» και να εξαχθούν από τη μούχλα, από φυτά ή έντομα. Έτσι, οι επιστήμονες που αναζητούν νέα χημεία εξακολουθούν συχνά να αναζητούν έμπνευση στις πιο μικρές γωνιές του κόσμου γύρω μας.

πηγή: https://www.huffingtonpost.gr/entry/mono-to-1-ton-chemikon-enoseon-echei-anakalefthei-oi-aynostes-mporei-na-einai-epanastatikes_gr_6530ec5fe4b03b213b08bb91 – https://theconversation.com/only-1-of-chemical-compounds-have-been-discovered-heres-how-we-search-for-others-that-could-change-the-world-211302