الموجات فوق الصوتية ومحفّز مصنوع من النباتات يسرّعان تخليق الكينولين

طوّر فريق من الكيميائيين طريقة سريعة قائمة على الماء لتحضير ثمانية مركّبات كينولين-كرومين لم يُبلّغ عنها من قبل، وفقاً لتقرير نشره موقع ScienMag. وتستخدم العملية الموجات فوق الصوتية ومحفّزاً نانوياً قابلاً لإعادة التدوير جرى تحضيره بمساعدة نبات حشيشة السعال، وهو نبات طبي.

أنتج التفاعل الجزيئات المستهدفة خلال 15 دقيقة عند درجة حرارة 25 درجة مئوية، وبمردود تراوح بين 93 و97 في المئة. ووُصفت الطريقة في Journal of Saudi Chemical Society من جانب شهرزاد عبدالمحمدي من جامعة آزاد الإسلامية في طهران، وباحثين متعاونين من أذربيجان والأردن والهند.

تعالج هذه النتيجة تحدياً مستمراً في الكيمياء الطبية، يتمثل في بناء جزيئات معقدة بكفاءة مع تقليل استخدام المذيبات الخطرة واستهلاك الطاقة والنفايات الكيميائية. وتجمع الطريقة الجديدة بين وسط تفاعل مائي وطاقة صوتية ومحفّز مكوّن من النحاس وأكسيد الزنك وأكسيد الغرافين.

تفاعل من ثلاثة أجزاء في الماء

تنتمي المركّبات إلى عائلة [1]benzopyrano[b]dioxolo[g]quinoline. وتجمع بنياتها بين ثلاثة أنواع من الأنظمة الحلقية: البنزوپيران، المعروف أيضاً باسم الكرومين؛ والديوكسول؛ والكينولين. وتكتسب هذه الهياكل أهمية في أبحاث الأدوية لأن جزيئات ذات صلة ارتبطت بتأثيرات مضادة للبكتيريا والفيروسات والأورام وتكاثر الخلايا.

لتحضير المركّبات الجديدة، مزج الباحثون 4-هيدروكسي كومارين مع ألدهيدات عطرية مختلفة و3,4-(ميثيلين ديوكسي)أنيلين. ووُضع المزيج في الماء وعُرّض لموجات فوق صوتية بقدرة 80 واط بوجود كمية صغيرة من Cu/ZnO@GO، وهو محفّز مركّب ترتبط فيه جسيمات أكسيد الزنك المطعّمة بالنحاس بأكسيد الغرافين.

عمل المحفّز والموجات فوق الصوتية معاً بكفاءة تفوق بكثير كفاءة كل منهما منفرداً. ومن دون محفّز، أعطى التفاعل مردوداً قدره 20 في المئة بعد 300 دقيقة تحت الغليان الراجع. أما الموجات فوق الصوتية من دون المركّب النانوي فأنتجت مردوداً قدره 48 في المئة خلال 15 دقيقة. لكن في الظروف المختارة، بلغ النظام المشترك مردوداً أقصى قدره 97 في المئة باستخدام 0.05 غرام من المحفّز في 3 مليلترات من الماء.

اختبر الباحثون أيضاً الإيثانول وثنائي كلورو الميثان والأسيتونيتريل وثنائي ميثيل الفورماميد. ولم يحقق أي منها أداءً مماثلاً للماء. كما جرى تقييم عدة محفّزات أخرى، لكنها لم تضاهِ نتائج المركّب النانوي.

تساعد الموجات فوق الصوتية من خلال تكوين فقاعات صغيرة في السائل وانهيارها. وتولّد هذه العملية، المعروفة باسم التجويف الصوتي، مناطق قصيرة الأمد ذات درجات حرارة وضغوط مرتفعة، ما يحسّن التلامس بين المواد المتفاعلة والمحفّز الصلب. ورغم أن هذه الظروف تكون شديدة على المستوى المجهري، يظل مزيج التفاعل نفسه عند درجة حرارة الغرفة، ما يلغي الحاجة إلى تسخين الوعاء بأكمله.

محفّز نُمّي باستخدام مستخلص حشيشة السعال

صُمّم تحضير المحفّز أيضاً انطلاقاً من كيمياء أقل خطورة. وحضّر الفريق الجسيمات النانوية من أكسيد الزنك والجسيمات المحتوية على النحاس باستخدام مستخلص مائي من Petasites hybridus، المعروف باسم حشيشة السعال. ونُقع جذمور النبات المجفف والمسحوق في ماء منزوع الأيونات مغلي، وساعد المستخلص الناتج في اختزال الجسيمات النانوية المتكوّنة وتثبيتها.

وفّر أسيتات الزنك وكلوريد النحاس المكوّنات المعدنية. ثم جُمعت الجسيمات مع أكسيد الغرافين من خلال خطوة نمو أخرى بمساعدة مستخلص نباتي. ويُستخدم أكسيد الغرافين كدعامة لأنه يوفر مساحة سطحية كبيرة، واستقراراً كيميائياً وحرارياً، وتكلفة منخفضة نسبياً. ويساعد تثبيت الجسيمات المحتوية على المعادن بهذه الدعامة في إبقاء المادة النشطة موزعة.

أكدت مجموعة من التقنيات التحليلية تركيبة المركّب وبنيته. وحددت قياسات الأشعة تحت الحمراء روابط الزنك–الأكسجين والنحاس–الأكسجين. وكشف حيود الأشعة السينية عن شكل الفورتزيت السداسي لأكسيد الزنك، فضلاً عن إشارات مرتبطة بالنحاس. وأظهر الفحص المجهري الإلكتروني جسيمات كروية تقريباً ملتصقة بأكسيد الغرافين، في حين أكد التحليل العنصري وجود المكوّنات المتوقعة.

كما أمكن استرداد المحفّز بعد استخدامه. فقد فصل الباحثون المحفّز بالطرد المركزي، وغسلوه بالإيثانول وجففوه قبل إعادته إلى تفاعل آخر. وحافظ على نشاطه خلال أربع دورات على الأقل من دون تراجع كبير في الأداء، ما يشير إلى أن إعادة استخدامه قد تساعد في الحد من استهلاك المواد والتكلفة معاً.

نشاط مضاد للأكسدة بين الجزيئات الجديدة

اقترح الباحثون أن التفاعل يمر عبر عدة خطوات مترابطة. إذ ينشّط المحفّز الألدهيد أولاً، الذي يتفاعل مع مكوّن الأنيلين. ثم يضاف 4-هيدروكسي كومارين إلى الوسيط الناتج، تليه عملية انغلاق الحلقة وفقدان الماء وتكوين البنية النهائية المنصهرة.

تحمّلت الطريقة ألدهيدات عطرية تحمل مجموعات مانحة للإلكترونات مثل الميثوكسي والهيدروكسي والميثيل، وكذلك مجموعات ساحبة للإلكترونات تشمل البرومو والكلورو والسيانو والنيترو. وكانت الألدهيدات الأليفاتية أقل نجاحاً، على ما يبدو لأن درجات غليانها المنخفضة تتيح لها التبخر أثناء التعريض للموجات فوق الصوتية.

اختُبرت أربعة منتجات في اختبار اقتناص الجذور الحرة DPPH، الذي يقيس النشاط المضاد للأكسدة من خلال تغير لوني يُسجّل عند 517 نانومتراً. وقارن الباحثون هذه المنتجات بمضادي الأكسدة التجاريين BHT وTBHQ. وكان أداء TBHQ الأفضل إجمالاً، في حين أظهر المركّب 4e، الذي يحتوي على مجموعة هيدروكسيل في حلقته الأريلية، نشاطاً قريباً من BHT عند 1,000 جزء في المليون.

لا تثبت الاختبارات البيولوجية أن المركّبات أدوية. لكنها تشير إلى أن هذه العائلة الكيميائية قد تستحق مزيداً من البحث، لا سيما أن الضرر التأكسدي ارتبط بحالات تشمل السكري والسرطان وتصلب الشرايين ومرض ألزهايمر. وتتمثل المساهمة الرئيسية للدراسة في توفير منصة تخليقية سريعة تجمع الماء والموجات فوق الصوتية وتحضير المحفّز بمساعدة النباتات وإعادة استخدام المحفّز في عملية واحدة.