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 звукоинженера», как он сам выражается, он интересуется не только реакциями, возникающими в его организме, но и тем, как провоцировать новые.
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 катализатор, позволяющий направлять желаемую реакцию, и это произошло. 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 профессора 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. «Это катализатор для селективного превращения углекислого газа в нечто более ценное, а углекислый газ часто подвергается критике».
Недавно Конг и его коллеги открыли систему, которая при определенных условиях может преобразовывать углекислый газ в муравьиную кислоту.
«Хотя в настоящее время мы далеки от самых современных методов получения реакционной способности, наша система обладает высокой степенью настраиваемости», — сказал Конг. «Таким образом, мы можем начать глубже понимать, почему одни катализаторы работают быстрее других, почему одни катализаторы по своей природе лучше. Мы можем настраивать параметры катализаторов и пытаться понять, что заставляет их работать быстрее, потому что чем быстрее они работают, тем лучше — можно быстрее создавать молекулы».
По словам Конга, будучи стипендиатом фонда Клармана, он также работает над преобразованием нитратов — распространенных удобрений, которые токсично просачиваются в водоемы, — из окружающей среды в безвредные вещества.
Конг экспериментировал с распространенными земными металлами, такими как алюминий и олово, в качестве катализаторов. По его словам, эти металлы дешевы, нетоксичны и в изобилии встречаются в земной коре, поэтому их использование не создаст проблем с точки зрения устойчивого развития.
«Мы также пытаемся выяснить, как создавать катализаторы, в которых два из этих металлов взаимодействуют друг с другом», — сказал Конг. «Используя два металла в каркасе, какие реакции и интересные вопросы мы можем получить из биметаллических систем?» «химическая реакция?»
По словам Конга, каркас — это химическая среда, в которой находятся эти металлы.
В течение последних 70 лет нормой было использование одного металлического центра для осуществления химических превращений, но в последнее десятилетие химики в этой области начали исследовать синергетические взаимодействия между двумя химически связанными или соседними металлами. Как сказал 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, плохо связывающийся с субстратами, но хорошо разрывающий 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 начинают появляться действительно уникальные и замечательные реакции».
Конг сказал, что до сих пор остается много неопределенности относительно того, как металлы связываются друг с другом в молекулярной форме. Он был так же восхищен красотой самой химии, как и результатами. Конга пригласили в лабораторию Ланкастера, чтобы воспользоваться их опытом в области рентгеновской спектроскопии.
«Это симбиоз, — сказал Ланкастер. — Рентгеновская спектроскопия помогла Ричарду понять, что скрывается под капотом и что делает олово особенно реактивным и способным к этой химической реакции. Мы извлекаем выгоду из его обширных знаний в области химии основных групп элементов, что открыло перед нами новую область».
По словам Конга, все сводится к основам химии и исследованиям, подход, ставший возможным благодаря стипендии Open Klarman Fellowship.
«Обычно я могу провести реакцию в лаборатории или сесть за компьютер и смоделировать молекулу», — сказал он. «Мы пытаемся получить как можно более полную картину химической активности».