مقدمه
لانجیفولن۱ یک سس‌کویی‌ترپن است که از جمله منابع گیاهی آن می‌توان به پینوس پاندروسا۲ یا کاج زرد، پینوس روکسبورژی‌ای۳ یا کاج کاشفی، و کامیس پاریس ابتوسا۴ یا سرو پا کوتا اشاره کرد. این مولکول کوچک یکی از نخستین نمونه‌هایی بود که جیمز کُری۵ نظریه جدید خود را با آن نشان داد.
گذشته از اندازه، ترپن‌ها مولکول‌های بی‌مانندی برای چنین تجزیه و تحلیل هایی به شمار می‌روند؛ همه آن‌ها از ساختارهای اسکلتی بر پایه کربن برخوردارند که غالباً در چارچوب پیچیده چند حلقه‌ای مرتب شده‌اند. کری در ستایش این خانواده چنین گفته است: «ذوق هنری طبیعت در ساخت مولکول‌های پیچیده، به اندازه خانواده ترپنوییدها، در هیچ گروه دیگری مشهود نیست».
ترپن‌ها به‌طور طبیعی از مسیر موالونیک اسید۶ ساخته می‌شوند در حالی‌که واحدهای ایزوپرن از ویژگی‌های بارز آن‌ها به شمار می‌رود برای نمونه، سس‌ترپن‌ها دارای ۵ واحد ایزوپرن هستند. مانند بسیاری از دیگر ترپنوییدهای کوچک، لانجیفولن به‌دلیل بوی خوش و تند چوب‌مانند آن، در صنعت عطرسازی کاربرد دارد.
ماهیت تمام کربن‌های موجود در ساختارهای ترپنوییدی طبیعی کاملاً چالش‌برانگیز است، زیرا مجموعه‌ای از عوامل تشکیل دهنده ترپن‌ها باعث می‌شود که پیوندهای کربن ـ کربن، سخت‌تر از پیوندهای بین کربن و هترواتم‌هایی مانند اکسیژن و نیتروژن تشکیل شود. افزون بر این، ساختار اسکلت‌های کربنی سیر شده، هیچ شاخه جانبی واکنش‌پذیر حامل گروه‌های عاملی را ـ که برای ساخت مولکول‌ها در آزمایشگاه مورد نیازند ـ ندارند.
با این شرایط، جیمز کری با موفقیت، طراحی و اجرای کامل سنتز لانجیفولن را انجام داد؛ پیشرفت غیرمنتظره‌ای که به شکل‌گیری یک نظریه وحدت‌بخش به نام آنالیز سنتز وارونه یا برگشتی انجامید. نظریه‌ای که توضیح می‌دهد چگونه می‌توان سنتز هر مولکول آلی پیچیده‌ای را به‌طور منطقی طراحی کرد.
الیاس جیمز کری، بنیان‌گذار روش سنتز وارونه
آن‌گاه که سرنوشتی رقم می‌خورد
جیمز کری در ماساچوست در خانواده‌ای لبنانی‌تبار از اولین مهاجران آمریکایی، متولد شد. در سال ۱۹۴۵ برای تحصیل در رشته ریاضی وارد مؤسسه فناوری ماساچوست (MIT) شد اما طولی نکشید که به شیمی، تغییر رشته داد. به نظر می‌رسد همین آشنایی و علاقه دیرینه او به ریاضیات بود که در جهت بخشیدن به خط فکری‌اش مؤثر واقع شد تا پیشگام ارائه مسیری منطقی برای سنتز ترکیب‌های آلی به شکل آنالیز برگشتی باشد. در سایه پژوهش در همین زمینه بود که به‌عنوان برنده جایزه نوبل شیمی در سال ۱۹۹۰ معرفی شد.
کری در مورد نظریه‌اش به‌عنوان عوامل مرتبط با محرک‌های خاص مربوط به دوره پس از جنگ جهانی دوم چنین می‌گوید: شیمی سنتز آلی تکامل یافته است و دورانی را پشت سر می‌گذارد که در آن، دیگر مواد اولیه، روش‌ها را تعیین نمی‌کنند.
این محدودیت‌ها ناشی از وابستگی به قطران زغال سنگ در پایان دهه ۱۸۰۰ و آغاز دهه ۱۹۰۰ بود. قطران زغال سنگ، ماده چسبناک سیاه‌رنگی که هنگام پالایش زغال سنگ به گاز زغال سنگ ـ که سوخت رایج آن زمان بود ـ تولید می‌شد و دسترسی به طیف وسیعی از رنگ‌ها (رنگدانه‌ها) را نیز فراهم می‌کرد. با تکیه بر این کارایی‌ها، تولید و رشد صنایع نوین شیمیایی و پیدایش صنایع دارویی به‌عنوان یک رشته علمی مجزا و قابل سرمایه‌گذاری روی داد. حتی نخستین آنتی بیوتیک‌ها مانند پرونتوسیل روبریم۷ و تریفان رد۸ از رنگ‌هایی به دست آمد که کشف آن‌ها مدیون بررسی مواد شیمیایی قطران زغال سنگ بود. بعدها، علم شیمی چنان پیشرفت کرد که امکان تهیه فراورده‌های طبیعی پیچیده مانند مورفین، استریکنین و ویتامین B۱۲ نیز با روش سنتز شیمیایی فراهم شد.
موفقیت در این سرمایه‌گذاری‌ها نیاز به دانش بالای فردی، پشتکار جدی، توانایی نوآوری و البته کمی شانس داشت. هم‌زمان با این پیشرفت در تولید ترکیب‌هایی با ساختارهای مولکولی پیچیده‌تر و چالش‌برانگیزتر، روش سنتز آلی متحول شد؛ ساز وکارهای واکنش‌های شیمیایی و نظریه الکترونی تعیین شد، شیمی‌دان‌ها شروع به شناسایی عوامل صورت‌بندی و شیمی فضایی در حالت گذار ترکیب‌ها کردند که باعث گسترش شناساگرها و واکنش‌های انتخابی شد، کروماتوگرافی به‌عنوان روش مورد استفاده برای جداسازی و خالص‌سازی ترکیب‌های آلی، کشف و اصلاح شد و علم و فناوری طیف‌سنجی
ـ برای تعیین و شناسایی ساختارهای مولکولی و میزان خلوص نمونه‌های شیمیایی ـ به سرعت در حال شکل‌گیری بود.
کری با صرف منطق و پیش‌بینی زیاد در روش طراحی ساخت یک مولکول، روشی را ابداع کرد که به کمک آن شیمی‌دانان می‌توانند ساختار هر مولکولی را بررسی و مورد تجزیه و تحلیل قرار دهند تا «پیوندهای راهبردی و اساسی» آن را شناسایی کنند. عملکرد این روش به‌صورت وارونه به این قرار است که پیوندهای مشخص شده به‌طور خیالی، شکسته یا جدا می‌شوند، تا مولکول‌های کوچک و ساده شده به دست آیند، شکل ۱. اگر این روند به‌صورت یکپارچه و پی‌درپی ادامه یابد و با دقت شرح داده شود، مراحلی مانند نوآرایی یا تبدیلات متقابل گروه عاملی۹ را شامل می‌شوند که به سادگی صورت نمی‌گیرد اما فرصت‌هایی را برای گسستن پیوندهای اساسی بعدی ایجاد می‌کند که پس از آن می‌تواند مسیری از بین مسیرهای مناسب قابل دسترس، برای ساخت مولکول هدف طرح‌ریزی کند. منطق دشوار و فراگیر این رویکرد، توانایی شناسایی قطعه‌های کلیدی در ساختار یک مولکول و گسستن پیوندهای ساختار اصلی، باعث ایجاد نظریه‌ای شد که با برنامه‌ریزی‌های محاسباتی قابل بررسی بود یعنی همان مسیری که جیمز کوری در دهه ۱۹۶۰ آن را مطرح کرد. امروزه برنامه‌ریزی‌های رایانه‌ای در تجزیه و تحلیل گزینه‌های موجود برای روش‌های تخریب مولکولی، ایده‌های با ارزشی ارائه می‌دهند. آنالیز یا تجزیه و تحلیل سنتز وارونه یا برگشتی اجازه می‌دهد که تعدادی از روش‌ها و راه‌حل‌های مختلف، مورد بررسی قرار گیرند و قابلیت‌های هریک از آن‌ها مقایسه شود. بنابراین مراحل طراحی و برنامه‌ریزی یک سنتز شیمیایی آسان می‌شود. استفاده از نوآوری و قدرت تخیل در انتخاب مسیر مورد نیاز، برای تعیین پیوندهای راهبردی و گسستن آن‌ها می‌تواند تا حد زیادی کارایی و ظرافت طرح سنتزی را افزایش دهد.
سنتز لانجیفولن به روش وارونه
این ترکیب طبیعی، با گذشت چندین سال از ساخت واقعی آن، موضوع بحث داغ روز بود؛ بحثی که تا زمان تجزیه و تحلیل یک مشتق به روش بلورشناسی با اشعه ایکس که در سال ۱۹۵۳، توسط مفیت۱۰ و راجرز۱۱ انجام شد، ادامه داشت.
تجزیه و تحلیل سنتز وارونه که کری برای این مولکول ارائه داد، در شکل ۲ نشان داده شده است.
نخستین پیوند انتخاب شده به‌عنوان «پیوند راهبردی»، پیوندی است که گسستن آن، مولکول را به سوی عقب و به یک پیش ماده دو حلقه‌ای ساده تبدیل می‌کند که مانند دو عدد ۶ و ۷ در هم رفته‌اند. مسیرهای دیگر، باعث تشکیل یک ترکیب دو حلقه‌ای بسیار پیچیده پل‌دار می‌شود که به آسانی می‌توان آن را رد کرد. سپس این طرح پیشنهادی ساده، کم و بیش به شکل اصلی خود برای سنتز عملی آزمایشگاهی لانجیفولن ارائه شد که تأیید قدرت راهبردی طراحی آنالیز سنتز برگشتی را در پی داشت، شکل ۳.
کری تاکنون بسیاری از ترکیب‌های طبیعی چالش‌برانگیز را با استفاده از نظریه آنالیز سنتز برگشتی خود ساخته است که چند نمونه از آن‌ها در شکل ۴ دیده می‌شود. او با تکیه بر نگرش و تسلط افسانه‌ای خود، هماهنگ با سنتزهای مورد نظرش، روش‌های جدید ساخت مواد پرکاربرد و بی‌شماری را نوآوری و کشف کرده است.
نتیجه‌گیری
اکنون توانایی نظریه سنتز وارونه برای کمک به آموزش شیمی آلی و طراحی روش‌های سنتز مولکول‌های پیچیده کاملاً پذیرفته شده است، چنان‌که تهیه بیشتر مواد سنتزی گزارش شده در مقاله‌های شیمیایی امروز، با رسم یک طرح از آنالیز سنتز برگشتی مولکول هدف آغاز می‌شوند. افزون
بر این، کتاب‌هایی نیز با هدف پیشرفت دانشجویان رشته سنتز شیمیایی مواد براساس آنالیز سنتز برگشتی، به‌عنوان ابزاری برای انتقال ماهیت علم نگاشته شده‌اند. بنابراین، جیمز کری با سنتز لانجیفولن و ارائه نظریه آنالیز سنتز برگشتی، پیشگام یک نوآوری واقعی در تاریخ هنر و علم کلی سنتز بود.
پی‌نوشت‌ها
1. Longifoleneg
2. Pinus ponderosa
3. Pinus roxburghii
4. Chamaecyparis obtusa
5. Corey, J
6. MevaIonic
7. prontosil rubrum
8. trypan red
9. functional group interconversions
10. Moffett, R.H.
11. Rogers, D.
منبع
Nicolao,K.C.&Montagnon,T.”Molecules thatchangedthe world”,2008,Wiley_VCH Verlay GmbH&Co.KGaA,Weinheim.