دور الثورة التكنولوجية فى مجال الكمبيوتر فى تصميم طرق لتخليق المركبات الكيميائية صديقة البيئة

يعتبر تخليق المركبات الكيميائية Chemical syntheses من أهم مصادر التلوث حيث أن الكثير من المواد البادئة والمذيبات المستخدمة والنواتج الثانوية ذات سمية كبيرة ، ونظراً لارتفاع تكلفة التعامل مع تلك الملوثات . بدأ الكيميائيون فى البحث عن طرق جديدة للحد والتحكم فى تلوث البيئة الناتج عند تخليق المركبات الكيميائية . وظهر مؤخرا نموذج يعتمد على الكمبيوتر لتصميم طرق لتخليق المركبات الكيميائية من مركبات صديقة للبيئة بدلاً من المركبات السامة التى كانت تستخدم لتحضيرها من قبل .

ولقد بدأ استخدام الكمبيوتر فى عام 1967 حيث تمكن كورى Cory  وزملائه من تخليق العديد من المركبات الكيميائية ومنذ ذلك الوقت وحتى الآن تم تحديث وتطوير أكثر من خمسة وأربعين برنامجاً لهذا الغرض . وهذه البرامج تساعد الكيميائيين على استخدام طرق آمنة لتخليق المركبات المستخدمة وتسلك تلك البرامج أحد طريقين :

الأول : تحضير المركبات التى سبق تحضيرها من قبل Retrosynthetically من مواد صديقة للبيئة غير التى استخدمت لتحضيرها من قبل .

والثانى : يعتمد على التخليق المباشر للمركبات من خلال التعرف على المواد البادئة وظروف التفاعل . وفى هذه الطريقة يمكن تحديد ظروف التفاعل المناسبة بالإضافة إلى النواتج الرئيسية والثانوية المحتمل تكوينها من التفاعل ونظر لوجود أكثر من خمسة وأربعون برنامجاً لهذا الغرض فإن اختيار القرص اللين المناسب Software يعتمد على ما يلى :

1. إمكانية تطبيقه على عدد كبير من التفاعلات المختلفة للحصول على المركبات العضوية المستهدفة .
2. استعداد الباحثون لنشر هذا الجهد وذلك بإتاحة نسخ من القرص اللين الذى تم تطبيقه للاستفادة منه .
3. مدى مناسبة القرص اللين لمكونات الحاسوب وإمكانياته لوكالة حماية البيئة International Protection Agency (EPA hard ware) ويعتبر هذا أهم شروط نجاح البرنامج وبالتالى نجاح الطرق البديلة لإنتاج مركبات صديقة للبيئة بطرق غير تقليدية .

وهذا الشرط أدى إلى استخدام ثلاثة برامج معروفة فى هذا المجال وهى :

أ- (CAMEO)  Computer Assisted Mechanistic Evaluation of Organic reactions

ب-(LHASA)  Logic and Heutristics Applied to Synthesis Analysis

حـ- (SYNGEN)   Synthetic Generators

وتستخدم تلك البرامج الثلاثة طرقاً مختلفة لترجمة المعلومات الكيميائية إلى الأغراض التخليقية .

حيث يحتاج مستخدمو البرنامج الأول (CAMEO) إلى المواد البادئة وتركيب النواتج ويقوموا بتطبيق سلسلة من القواعد المصممة        لتحديد التركيب والنشاط والفاعلية . بينما يعتمد مستخدموا برنامجى SYNGEN & LHASA على إعادة تخليق المركبات التى سبق تحضيرها حيث يقوموا بوضع المركب المستهدف ويحصلون على المواد البادئة كمخرجات من هذا البرنامج . وبالإضافة إلى ذلك يعتمد LHASA على رسم معلومات لأكثر من ألف تفاعل لاقتراح الطريقة المناسبة التى تستخدم لتحضير المركب المطلوب .

أما برنامج SYNGEN فيستخدم طرقاً رياضية لتخزين التركيب الكيميائى وظروف التفاعل الكيميائى للحصول على أفضل طريقة للتحضير فى عملية واحدة . وفيما يلى عرض لبعض الأمثلة التى نجحت فيها تلك البرامج فى تخليق مركبات عضوية صديقة للبيئة .

1- ظهرت قدرة نظام (CAMEO) فى تخليق عدد من المركبات من تفاعلات معروفة ومنها :

أ- تحضير الكارباريل التجارى (1-naphthyl-N-methyl carbamate) من تفاعل الميثيل ايزوسيانات مع 1- نافثول .

وباستخدام نظام (CAMEO) لم تظهر أى نواتج ثانوية لهذا التفاعل تؤثر على البيئة .

ب- تفاعل 1 ، 3- سيكلوهكسادايين مع انهيدريد حمض المالييك

فى الظروف العادية التقليدية ينتج المركب (10) باسم التفاعل المعروف باسم " ديلز الدر " Diel’s Alder بينما استخدام البرنامج CAMCO تكون المركب (10) ولكنه ليس المركب الاساسى بينما المركب الرئيسى الناتج هو المركب (11) الذى ليس له أى تاثير ضار على البيئة .

حـ- تفاعل الثيوفين مع كلوريد البنزويل :

لم ينجح برنامج CAMEO فى تفسير تكوين المركب (12) والمعروف أنه ينتج بتفاعل فريدل كرافتس الشهير Fridel’s Craft ولكنه توقع عدة مركبات أخرى مثل (15) ، (16) ، (17) وهى مركبات صديقة للبيئة .

د- تسخين  N (2-فينيل ايثيل) اسيتاميد فى وجود حمض لويس .

(20) فسر برنامج CAMEO تكوين المركب   ولكن لم ينجح فى تفسير تكوين المركب (18) توقعت LHASA نواتج تفاعلين للحصول على الكينولين الأول من تكاثف 2-امينوبنزالدهيد مع الاسيتالدهيد والثانى بالإضافة النيوكليوفيلية للاثيلين إلى الاكرولين.

وتوقعت SYNGEN طريقتين فعاليين للحصول على 4- نيتروثنائى فينيل أمين (وتم استبعاد 135 طريقاً آخر ) الأول تفاعل الايثيلين مع باراهالونيتروبنزين والثانى بتفاعل بارانيترواثيلين مع هالوبنزين .

خلاصة :

لقد ساعدت الأقراص اللينة الخاصة بالكيمياء التخليقية مثل CAMEO  و LHASA و SYNGEN على استنتاج التراكيب الكيميائية الصحيحة للمركبات الناتجة صديقة البيئة فضلا عن أنها درست ميكانيكيات التفاعلات الكيميائية والتنبأ بالخواص الفيزيائية للمركبات المستهدفة . بالإضافة إلى ذلك نجحت فى تصميم طرق التفاعلات الكيميائية التى تؤدى إلى تقليل تلوث البيئة بمعنى أنها ساعدت فى الحد من التلوث التى نادت به وكالة حماية  البيئة (EPA) .