پنجاه سال پس از کسب جایزه نوبل، بینش‌های لیپسکام درباره بوران‌ها همچنان ثمر می‌دهد

بوران‌ها در اوایل تا اواسط قرن بیستم از غیرعادی‌ترین ترکیبات شناخته‌شده برای شیمی‌دانان بودند. کار ویلیام لیپسکام در توضیح ساختارها و پیوند آن‌ها جایزه نوبل شیمی ۱۹۷۶ را برای او به ارمغان آورد و به دگرگونی درک دانشمندان از پیوند شیمیایی کمک کرد.

بوران‌ها که در ابتدا هیدریدهای بور توصیف می‌شدند، فرمول کلی B_xH_yR_z دارند. مدت‌ها پیش از آنکه لیپسکام به آن‌ها علاقه‌مند شود، آلفرد اشتوک ترکیبات فرار B₂H₆، B₄H₂₀، B₅H₉ و موارد دیگر را سنتز کرده بود.

در دهه ۱۹۵۰، لیپسکام و همکارانش برایس کرافورد و ولفگانگ ابرهارت ساختار چند بوران را با استفاده از بلورنگاری پرتو ایکس در دمای پایین – تکنیکی که هنوز نسبتاً غیرمعمول بود – رمزگشایی کردند. لیپسکام تعیین کرد که این ترکیبات دو الکترون را میان سه اتم به اشتراک می‌گذارند – آنچه امروز پیوند سه‌مرکزی–دوالکترونی نامیده می‌شود.

این ایده هندسه غیرعادی بوران‌ها، گشتاورهای دوقطبی غیرمنتظره و کمبود ظاهری الکترون آن‌ها را توضیح می‌داد. همچنین به ساختار پل‌دار دی‌بوران که کریستوفر لانگه-هیگینز یک دهه پیش‌تر پیشنهاد کرده بود، اعتبار بیشتری بخشید.

او به ما نشان داد که می‌توان ساختارها را درک کرد

داگلاس ریس، از اعضای پیشین گروه لیپسکام، بعدها کار لیپسکام را گشاینده «عصر جدیدی در درک پیوند شیمیایی» توصیف کرد. در واقع، آن کار همچنان شکل‌دهنده شیمی مدرن بور است و زیربنای پیشرفت‌ها در علم مواد، شیمی ابرمولکولی و پزشکی قرار می‌گیرد.

بوروفن، نسخه بور از گرافن است؛ ماده‌ای دوبعدی که پیوند کمبود الکترون شناسایی‌شده در بوران‌ها را در سراسر یک صفحه گسترش می‌دهد. برخلاف همتای کربنی خود، بوروفن شبکه شش‌ضلعی منظمی تشکیل نمی‌دهد. در عوض، ورقه‌های تک‌اتمی آن آرایش متنوع‌تری از مثلث‌ها و شش‌ضلعی‌ها را شامل می‌شوند. روالد هوفمان، برنده جایزه نوبل شیمی، که یک سال در گروه لیپسکام در هاروارد کار کرد و در کتابی که لیپسکام درباره هیدریدهای بور نوشت مشارکت داشت، می‌گوید: «لیپسکام عاشق این [ورقه‌های دوبعدی] می‌شد و بی‌درنگ نظریه‌ای برای پیوند در آن‌ها و شمار جادویی الکترون‌هایشان ارائه می‌کرد.»

مارک هرسام، شیمی‌دان مواد در دانشگاه نورث‌وسترن آمریکا، می‌گوید بوروفن از منظر کاربردی هیجان‌انگیز است و «پتانسیلی برای کاربردهای پلاسمونیک، نانوالکترونیک، ذخیره انرژی و اطلاعات کوانتومی دارد». با این حال، به‌راحتی اکسید می‌شود و بنابراین در شرایط محیطی چندان پایدار نیست.

یکی از راه‌های حل این مشکل، هیدروژن‌دار کردن است. در سال ۲۰۲۱، تیم هرسام دریافت که هیدروژن‌دار کردن بوروفن با هیدروژن اتمی به ماده‌ای می‌انجامد که می‌تواند روزها در معرض هوا دوام بیاورد.² بوروفن هیدروژنه، معروف به بوروفان، نیز پیوند سه‌مرکزی–دوالکترونی را که لیپسکام نخست در بوران‌ها توصیف کرد، اتخاذ می‌کند. هرسام می‌گوید این پیوند «در میان سایر مواد دوبعدی بی‌نظیر است».

هیدروژن‌دار کردن با کاهش واکنش‌پذیری، به دانشمندان امکان می‌دهد شکل بکری از بور فوق‌نازک را سنتز کنند که سپس می‌تواند مثلاً در دستگاه‌های پلاسمونیک به کار رود، پیش از آنکه هیدروژن حذف شود. این یک مرحله اضافی است، اما دری را به روی استفاده از خواص امیدبخش بوروفن در کاربردهای آینده می‌گشاید.

نویل گونزالس شواکی، دانشمند مواد در دانشگاه ورشو لهستان، می‌گوید: «هیدروژن‌دار کردن یکی از راه‌های عملی برای قابل استفاده کردن بوروفن است. اکسیداسیون را کند می‌کند، رفتار فلزی را حفظ می‌کند و با بازپخت برگشت‌پذیر است. نکته کلیدی، توازن میان پایداری و حفظ خواص الکترونیکی ذاتی است.»

به نظر گونزالس شواکی، بخش عمده علم مواد مدرن بور به این شناخت لیپسکام بازمی‌گردد که بور کمبود الکترون از طریق پیوند چندمرکزی پایدار می‌شود. او می‌گوید: «از سال ۲۰۰۶ با بور کار می‌کنم؛ موضوع محبوب من است.» در این مدت، گروه او خوشه‌های بوران را برای حس‌گری بررسی کرده، ساختارهای مبتنی بر بوران را به نانولوله‌ها گسترش داده و نانوریبون‌های فوق‌نازک بور را سنتز کرده است. به‌تازگی نیز مدلی برای توضیح تنوع نانوساختارهای بور توسعه داده‌اند.³ «اما اگر لیپسکام چارچوب بومی‌سازی را پیشنهاد نکرده بود، نمی‌توانستیم تا این حد پیش برویم. او تصویر گسترده‌تری از پیوند به ما داد.»

کرافورد، ابرهارت و لیپسکام در حین توسعه توضیح خود درباره پیوند بوران، اوربیتال‌های مولکولی سایر یون‌های حاوی بور را نیز بررسی کردند، از جمله آنیون کلوزو-دودکابورات B₁₂H₁₂^2- که در آن زمان کاملاً نظری بود.

نظری از آن زمان به واقعیت عینی تبدیل شده و امروزه این آنیون‌های کلوزو-دودکابورات نقشی در چارچوب‌های ابرمولکولی هیبریدی قفس بوران (BSFها) – زیرگروهی از چارچوب‌های فلز–آلی (MOFها) – ایفا می‌کنند.⁴ یوانبین ژانگ، شیمی‌دان مواد در دانشگاه عادی ژجیانگ چین، توضیح می‌دهد: «شبکه‌ای دوبعدی را تصور کنید که از یون‌های فلزی متصل‌شده با لیگاندهای آلی تشکیل شده است. حالا یک آنیون قفس بوران – آن را به‌عنوان یک توپ کوچک بیست‌وجهی با بار منفی در نظر بگیرید – بردارید و از آن به‌عنوان ستونی استفاده کنید که این لایه‌های دوبعدی را در بعد سوم از هم جدا نگه می‌دارد؛ نتیجه یک چارچوب متخلخل سه‌بعدی با کانال‌های یک‌بعدی به‌خوبی تعریف‌شده است.»

ژانگ می‌گوید: «آنچه BSFها را ویژه می‌کند این است که این ستون‌های بوران فقط فاصله‌اندازهای ساختاری نیستند – بلکه از نظر شیمیایی فعال‌اند. سطوح آن‌ها با هیدروژن‌های هیدریدی پوشیده شده که می‌توانند پیوندهای دی‌هیدروژنی B–H···H–C با مهمان‌های هیدروکربنی تشکیل دهند. این به BSFها قابلیت تشخیص مولکولی درونی برای جداسازی گزینشی گاز می‌بخشد.»

گروه ژانگ در تلاش است تا خانواده BSF را گسترش دهد.⁵ ژانگ می‌گوید: «هدف ما پرداختن به جداسازی‌های چندجزئی چالش‌برانگیزتر با اهمیت صنعتی زیاد است. همچنین در حال بررسی عمیق‌تر نقش‌های پیوند دی‌هیدروژنی و پیش‌سازمان‌دهی الکترواستاتیکی در حین مونتاژ چارچوب هستیم.»

هوفمان فکر می‌کند لیپسکام از نقشی که بوران‌ها اکنون در این چارچوب‌ها ایفا می‌کنند قدردانی می‌کرد. «او در قلب یک شیمی‌دان بود و عاشق این شیمی می‌شد.»

لیپسکام در حین بررسی پیوند و اوربیتال‌های مولکولی هیدریدهای بور، پیشنهاد کرد که افزودن H₃⁺ به B₁₁H₁₁^2- به B₁₁H₁₄^- می‌انجامد. لیپسکام میان خواص اوربیتالی این خوشه و خواص سیکلوپنتادی‌انید قیاسی برقرار کرد، هرچند آنچه فرد هاثورن دید را کاملاً ندید: B₁₁H₁₁^2- می‌توانست برای ساخت کمپلکس فلز–بوران، مشابه فروسن Fe(C₅H₅)₂، به کار رود. هاثورن در دانشگاه هاروارد به لیپسکام نزدیک بود و به همان اندازه شیفته بوران‌ها. او با الهام از لیپسکام این ایده‌ها را برگرفت و محقق کرد، قطعه B₁₁H₁₄^- را به یک فلز واسطه پیوند داد و بدین ترتیب خانواده بزرگی از متالوبوران‌ها و متالوکاربوران‌ها را پدید آورد. هوفمان به یاد می‌آورد: «تا امروز به یاد دارم وقتی فرد هاثورن، شیمی‌دان معدنی سنتزی بزرگ، آمد و در گروه لیپسکام به ما گفت که کاربوران‌ها را ساخته است.»

متالوبوران‌ها و متالوکاربوران‌های هاثورن به ورود بوران به شیمی دارویی کمک کرد. مولکول‌های حاوی بور اکنون در شمار اندکی از داروهای تأییدشده به کار می‌روند و همچنان حوزه فعالی در پژوهش‌های دارویی هستند.

یکی از این نمونه‌ها بورونات‌های دوقلویی است که به‌عنوان ترکیباتی قدرتمند برای مقابله با مقاومت آنتی‌بیوتیکی مطرح شده‌اند. این موضوع بیش از یک دهه محور کار کونسپسیون گونزالس بلو در دانشگاه سانتیاگو ده کومپوستلا اسپانیا بوده است. گونزالس بلو به‌جای تلاش برای توسعه آنتی‌بیوتیک‌های جدید که ممکن است سال‌ها طول بکشد، از جمله دانشمندانی است که می‌کوشند اثربخشی داروهای موجود را حفظ کنند.

بتالاکتام‌ها از موفق‌ترین آنتی‌بیوتیک‌ها هستند، اما بتالاکتامازهای تولیدشده توسط باکتری‌های مقاوم می‌توانند آن‌ها را بی‌اثر کنند. بورونات‌های دوقلویی با مهار این آنزیم‌ها عمل می‌کنند و فعالیت آنتی‌بیوتیک‌ها را بازمی‌گردانند.⁶

مایکل اینگلسون، شیمی‌دان سنتزی بور در دانشگاه ادینبرو بریتانیا، می‌گوید: «این ماده اساساً به‌عنوان یک مولکول فداکار عمل می‌کند که مانع کشتن آنتی‌بیوتیک توسط باکتری می‌شود، بنابراین آنتی‌بیوتیک می‌تواند کار خود را انجام دهد و شما فقط بتالاکتاماز را مهار کرده‌اید. کلاس‌های متعددی از بتالاکتامازها وجود دارد – A، B، C و D – و داروهای بسیار کمی همه آن‌ها را هدف می‌گیرند. مولکول‌های بوری که در حال ورود هستند، گسترده‌ترین دامنه را دارند.»

تا کنون، بورونات‌های دوقلویی توانسته‌اند بتالاکتامازهای A، C و D را هدف بگیرند که همگی از مکانیسم‌های مشابه استفاده می‌کنند. مهار آنزیم‌های کلاس B دشوارتر بوده است. گونزالس بلو می‌گوید: «مشکل این است که باکتری‌ها می‌توانند همه آن‌ها را تولید کنند.» توسعه یک مهارکننده واحد که بتواند هر چهار کلاس را هدف بگیرد چالش‌برانگیز است، زیرا «ساختار آن‌ها کاملاً متفاوت است».

ریس، که در گروه لیپسکام در هاروارد روی بلورنگاری پروتئین کار می‌کرد، او را در یک خاطره‌نگاری «عملاً یک دپارتمان شیمی تک‌نفره» توصیف کرد. بنابراین شاید تعجب‌آور نباشد که لیپسکام تا این حد شیفته بوران‌ها بود؛ دسته‌ای از مولکول‌ها که پژوهشگران هنوز در حال کشف تطبیق‌پذیری آن‌ها هستند. ریس می‌افزاید: «من احساس کرده‌ام که لیپسکام یکی از ستاره‌های کم‌ارزش‌گذاشته‌شده شیمی بود، با گستره و عمق مشارکت‌های باورنکردنی.»

هوفمان می‌گوید: «من فقط یک سال در گروه لیپسکام کار کردم. اما چه سالی بود! یاد گرفتم از ساختارهای پیچیده نترسم؛ لذت تعامل با تجربه‌گرایان را یاد گرفتم. بوران‌ها ساختارهای نسبتاً پیچیده‌ای بودند، هم از نظر هندسی و هم در پیوندشان. تا کار لیپسکام، احساس قوی دارم که مردم تقریباً از نگاه کردن به آن‌ها می‌ترسیدند. به نظر می‌رسید برای درک بسیار پیچیده‌اند. او به ما نشان داد که می‌توان ساختارها را درک کرد.»