Reakcje chemiczne zachodzą wokół nas cały czas – to oczywiste, gdy się nad tym zastanowić – ale ilu z nas bierze w nich udział, gdy uruchamiamy samochód, gotujemy jajko lub nawozimy trawnik?
Ekspert w dziedzinie katalizy chemicznej, Richard Kong, rozmyślał o reakcjach chemicznych. W swojej pracy, jako „profesjonalny inżynier dźwięku”, jak sam to określa, interesuje się nie tylko reakcjami, które zachodzą w nim samym, ale także wywoływaniem nowych.
Jako stypendysta Klarmana w dziedzinie chemii i biologii chemicznej na Wydziale Sztuk Pięknych i Nauk Ścisłych, Kong pracuje nad rozwojem katalizatorów, które napędzają reakcje chemiczne do pożądanych rezultatów, tworząc bezpieczne i produkty o wartości dodanej, w tym takie, które mogą mieć pozytywny wpływ na zdrowie człowieka. Środa.
„Znaczna liczba reakcji chemicznych zachodzi bez udziału człowieka” – powiedział Kong, odnosząc się do emisji dwutlenku węgla podczas spalania paliw kopalnych przez samochody. „Jednak bardziej złożone reakcje chemiczne nie zachodzą automatycznie. Właśnie tutaj w grę wchodzi kataliza chemiczna”.
Kong i jego współpracownicy zaprojektowali katalizator, który miał kierować pożądaną reakcją i tak się stało. Na przykład, dwutlenek węgla można przekształcić w kwas mrówkowy, metanol lub formaldehyd, wybierając odpowiedni katalizator i eksperymentując z warunkami reakcji.
Według Kyle'a Lancastera, profesora chemii i biologii chemicznej (A&S) oraz profesora Konga, podejście Konga dobrze wpisuje się w „napędzane odkryciami” podejście laboratorium Lancastera. „Richard wpadł na pomysł wykorzystania cyny do ulepszenia swojej chemii, co nigdy nie było w moim scenariuszu” – powiedział Lancaster. „Jest katalizatorem selektywnej konwersji dwutlenku węgla w coś bardziej wartościowego, a dwutlenek węgla ma wiele złej sławy”.
Kong i jego współpracownicy niedawno odkryli system, który w pewnych warunkach może przekształcać dwutlenek węgla w kwas mrówkowy.
„Chociaż obecnie nie jesteśmy bliscy osiągnięcia najnowocześniejszych rozwiązań w zakresie reaktywności, nasz system jest wysoce konfigurowalny” – powiedział Kong. „Dzięki temu możemy lepiej zrozumieć, dlaczego niektóre katalizatory działają szybciej niż inne, dlaczego niektóre są z natury lepsze. Możemy dostroić parametry katalizatorów i spróbować zrozumieć, co sprawia, że ​​działają szybciej, ponieważ im szybciej działają, tym lepiej – można tworzyć cząsteczki szybciej”.
Jako stypendysta fundacji Klarman, Kong pracuje również nad przekształcaniem azotanów – powszechnie stosowanych nawozów, które toksycznie przedostają się do wód – ze środowiska w coś nieszkodliwego – mówi.
Kong eksperymentował z metalami ziem rzadkich, takimi jak aluminium i cyna, jako katalizatorami. Metale te są tanie, nietoksyczne i powszechnie występują w skorupie ziemskiej, więc ich stosowanie nie będzie stanowiło problemu dla zrównoważonego rozwoju, powiedział.
„Zastanawiamy się również, jak tworzyć katalizatory, w których dwa z tych metali oddziałują ze sobą” – powiedział Kong. „Wykorzystując dwa metale w tym kontekście, jakie reakcje i ciekawe pytania możemy uzyskać z układów bimetalicznych?” „Reakcja chemiczna?”
Według Konga rusztowanie to środowisko chemiczne, w którym znajdują się te metale.
Przez ostatnie 70 lat normą było wykorzystywanie pojedynczego centrum metalicznego do przeprowadzania przemian chemicznych, ale mniej więcej w ciągu ostatniej dekady chemicy zajmujący się tą dziedziną zaczęli badać synergistyczne oddziaływania między dwoma chemicznie związanymi lub sąsiadującymi metalami. „Daje to więcej stopni swobody” – powiedział Kong.
Te bimetaliczne katalizatory dają chemikom możliwość łączenia katalizatorów metalicznych w oparciu o ich mocne i słabe strony, mówi Kong. Na przykład, centrum metaliczne, które słabo wiąże się z substratami, ale dobrze rozbija wiązania, może działać z innym centrum metalicznym, które słabo rozbija wiązania, ale dobrze wiąże się z substratami. Obecność drugiego metalu wpływa również na właściwości pierwszego metalu.
„Można zacząć dostrzegać to, co nazywamy efektem synergii między dwoma centrami metalicznymi” – powiedział Kong. „W dziedzinie katalizy bimetalicznej zaczynają pojawiać się naprawdę wyjątkowe i wspaniałe reakcje”.
Kong powiedział, że wciąż istnieje wiele niewiadomych co do tego, jak metale łączą się ze sobą w formach molekularnych. Był równie zachwycony pięknem samej chemii, co wynikami. Kong został zaproszony do laboratorium Lancaster, aby skorzystać z ich wiedzy w zakresie spektroskopii rentgenowskiej.
„To symbioza” – powiedział Lancaster. „Spektroskopia rentgenowska pomogła Richardowi zrozumieć, co kryje się pod maską i co sprawia, że ​​cyna jest szczególnie reaktywna i zdolna do zachodzenia tej reakcji chemicznej. Korzystamy z jego rozległej wiedzy z zakresu chemii głównych grup chemicznych, która otworzyła nam nowe możliwości w nowej dziedzinie”.
Wszystko sprowadza się do podstawowej chemii i badań, a takie podejście jest możliwe dzięki stypendium Open Klarman Fellowship – powiedział Kong.
„Zwykle mogę przeprowadzić reakcję w laboratorium lub usiąść przy komputerze i symulować cząsteczkę” – powiedział. „Staramy się uzyskać jak najpełniejszy obraz aktywności chemicznej”.