Химические реакции происходят вокруг нас постоянно — это очевидно, если задуматься, но многие ли из нас участвуют в них, когда заводят машину, варят яйцо или удобряют газон?
Эксперт по химическому катализу Ричард Конг размышляет о химических реакциях. В своей работе в качестве «профессионального настройщика», как он сам выражается, он интересуется не только реакциями, возникающими сами по себе, но и выявлением новых реакций.
Будучи стипендиатом Клармана в области химии и химической биологии в Колледже искусств и наук, Конг работает над разработкой катализаторов, которые приводят химические реакции к желаемым результатам, создавая безопасные и даже ценные продукты, в том числе те, которые могут оказывать положительное влияние на здоровье человека. Среда.
«Значительная часть химических реакций происходит автоматически», — сказал Конг, имея в виду выброс углекислого газа при сжигании ископаемого топлива автомобилями. «Но более сложные химические реакции не происходят автоматически. Именно здесь вступает в игру химический катализ».
Конг и его коллеги разработали катализаторы для управления желаемыми реакциями. Например, углекислый газ можно превратить в муравьиную кислоту, метанол или формальдегид, выбрав подходящий катализатор и поэкспериментировав с условиями реакции.
По словам Кайла Ланкастера, профессора химии и химической биологии (отделение искусств и наук) и модератора работы Конга, подход Конга хорошо согласуется с «ориентированным на открытия» подходом лаборатории Ланкастера. «У Ричарда была идея использовать олово для улучшения своих химических реакций, чего никогда не было в моем сценарии», — сказал Ланкастер. «У него есть катализатор, который может избирательно преобразовывать углекислый газ, о котором много говорят в прессе, в нечто более ценное».
Недавно Конг и его коллеги открыли систему, которая при определенных условиях может преобразовывать углекислый газ в муравьиную кислоту.
«Хотя мы еще не достигли высочайшего уровня скорости отклика, наша система обладает широкими возможностями настройки», — сказал Конг. «Таким образом, мы можем глубже понять, почему одни катализаторы работают быстрее других, почему одни катализаторы по своей природе лучше. Мы можем корректировать параметры катализаторов и пытаться понять, что заставляет их работать быстрее, потому что чем быстрее они работают, тем лучше они работают, тем быстрее можно создавать молекулы».
По словам Конга, будучи стипендиатом фонда Клармана, он также работает над удалением нитратов, распространенного удобрения, которое токсично проникает в водоемы, из окружающей среды и превращением их в более безвредные вещества.
Конг экспериментировал с использованием в качестве катализаторов металлов, найденных в земной коре, таких как алюминий и олово. По его словам, эти металлы дешевы, нетоксичны и в изобилии содержатся в земной коре, поэтому их использование не создаст проблем с точки зрения устойчивого развития.
«Мы также работаем над созданием катализаторов, в которых два металла взаимодействуют друг с другом», — сказал Конг. «Какие реакции и интересные химические процессы мы можем получить, используя два металла в одной структуре, в биметаллических системах?»
Леса — это химическая среда, в которой содержатся эти металлы; они имеют решающее значение для раскрытия потенциала этих металлов и выполнения ими своих функций, подобно тому как вам нужна подходящая одежда для подходящей погоды, — сказал Конг.
В течение последних 70 лет стандартом было использование одного металлического центра для достижения химических переходов, но в последнее десятилетие химики в этой области начали исследовать соединение двух металлов, либо химическим путем, либо в непосредственной близости друг от друга. Во-первых, говорит Конг, «это дает вам больше степеней свободы».
По словам Конга, эти биметаллические катализаторы позволяют химикам комбинировать металлические катализаторы, учитывая их сильные и слабые стороны. Например, металлический центр, который плохо связывается с субстратами, но хорошо разрывает связи, может работать с другим металлическим центром, который плохо разрывает связи, но хорошо связывается с субстратами. Присутствие второго металла также влияет на свойства первого металла.
«Можно начать наблюдать то, что мы называем синергетическим эффектом между двумя металлическими центрами», — сказал Конг. «В области биметаллического катализа уже начинают проявляться действительно уникальные и замечательные реактивные свойства».
Конг сказал, что до сих пор остается много неясностей относительно того, как металлы связываются друг с другом в молекулярных соединениях. Он был так же восхищен красотой самой химии, как и результатами. Конга пригласили в Ланкастерские лаборатории за их экспертными знаниями в области рентгеновской спектроскопии.
«Это симбиоз, — сказал Ланкастер. — Рентгеновская спектроскопия помогла Ричарду понять, что происходит за кулисами и что делает олово особенно реактивным и способным к этой химической реакции. Мы извлекли пользу из его обширных знаний в области химии основных групп элементов, что открыло для группы двери в новое направление».
«Всё сводится к основам химии и исследованиям», — говорит Конг, — «и этот подход стал возможен благодаря стипендии Open Klarman».
«В обычный день я могу проводить реакции в лаборатории или сидеть за компьютером, моделируя молекулы, — сказал он. — Мы пытаемся получить как можно более полную картину химической активности».