Cheminės reakcijos aplink mus vyksta nuolat – akivaizdu, kai pagalvoji, bet kiek iš mūsų jas atliekame užvesdami automobilį, verdami kiaušinį ar tręšdami veją?
Cheminės katalizės ekspertas Richardas Kongas domisi cheminėmis reakcijomis. Dirbdamas, kaip jis pats sako, „profesionaliu derintoju“, jis domisi ne tik savaime kylančiomis reakcijomis, bet ir naujų reakcijų identifikavimu.
Būdamas Klarmano chemijos ir cheminės biologijos stipendininku Menų ir mokslų kolegijoje, Kongas kuria katalizatorius, kurie skatina chemines reakcijas link norimų rezultatų, sukurdamas saugius ir netgi pridėtinės vertės produktus, įskaitant tuos, kurie gali turėti teigiamą poveikį žmonių sveikatai. Trečiadienis.
„Didelė dalis cheminių reakcijų vyksta savarankiškai“, – teigė Kongas, turėdamas omenyje anglies dioksido išsiskyrimą, kai automobiliai degina iškastinį kurą. „Tačiau vis sudėtingesnės cheminės reakcijos nevyksta automatiškai. Čia įsijungia cheminė katalizė.“
Kongas ir jo kolegos sukūrė katalizatorius, skirtus norimoms reakcijoms valdyti. Pavyzdžiui, anglies dioksidą galima paversti skruzdžių rūgštimi, metanoliu arba formaldehidu, pasirenkant tinkamą katalizatorių ir eksperimentuojant su reakcijos sąlygomis.
Pasak Kyle'o Lancasterio, chemijos ir cheminės biologijos (A&S) profesoriaus ir Kongo moderatoriaus, Kongo požiūris gerai atitinka Lancasterio laboratorijos „atradimais pagrįstą“ požiūrį. „Richardas turėjo idėją panaudoti alavą savo chemijos mokslui tobulinti, bet tai niekada nebuvo mano planuose“, – sakė Lancasteris. „Jis turi katalizatorių, kuris gali selektyviai paversti anglies dioksidą, apie kurį daug kalbama spaudoje, į kažką vertingesnio.“
Kongas ir jo bendradarbiai neseniai atrado sistemą, kuri tam tikromis sąlygomis gali paversti anglies dioksidą skruzdžių rūgštimi.
„Nors reagavimo požiūriu dar nesame pažangiausi, mūsų sistema yra labai pritaikoma“, – sakė Kongas. „Tokiu būdu galime pradėti giliau suprasti, kodėl kai kurie katalizatoriai veikia greičiau nei kiti, kodėl kai kurie katalizatoriai yra iš esmės geresni. Galime koreguoti katalizatorių parametrus ir pabandyti suprasti, kas lemia šių dalykų greitesnį veikimą, nes kuo greičiau jie veikia, tuo geriau jie veikia, tuo greičiau galima sukurti molekules.“
Pasak jo, kaip „Klarman“ bendradarbis, Kongas taip pat dirba siekdamas pašalinti iš aplinkos nitratus – įprastą trąšą, kuri toksiškai prasiskverbia į vandens kelius, ir paversti juos nekenksmingesnėmis medžiagomis.
Kongas eksperimentavo naudodamas žemėje randamus metalus, tokius kaip aliuminis ir alavas, kaip katalizatorius. Šie metalai yra pigūs, netoksiški ir gausūs Žemės plutoje, todėl jų naudojimas nekels tvarumo problemų, sakė jis.
„Mes taip pat dirbame ties tuo, kaip sukurti katalizatorius, kuriuose du metalai sąveikautų vienas su kitu“, – sakė Kongas. „Naudodami du metalus viename struktūroje, kokias reakcijas ir įdomius cheminius procesus galime gauti iš bimetalinių sistemų?“
Miškai yra cheminė aplinka, kurioje kaupiami šie metalai – jie yra labai svarbūs norint išlaisvinti šių metalų potencialą atlikti savo funkciją, lygiai taip pat, kaip jums reikia tinkamų drabužių tinkamam orui, sakė Kongas.
Pastaruosius 70 metų cheminiams perėjimams pasiekti standartinis buvo vieno metalo centro naudojimas, tačiau per pastarąjį dešimtmetį ar panašiai šios srities chemikai pradėjo tyrinėti dviejų metalų jungtį – cheminiu būdu arba esant artimam atstumui. Pirma, pasak Kongo, „tai suteikia daugiau laisvės laipsnių“.
Šie bimetaliniai katalizatoriai suteikia chemikams galimybę derinti metalinius katalizatorius, atsižvelgiant į jų stipriąsias ir silpnąsias puses, sako Kongas. Pavyzdžiui, metalo centras, kuris blogai sukimba su substratais, bet gerai suardo ryšius, gali veikti su kitu metalo centru, kuris blogai suardo ryšius, bet gerai sukimba su substratais. Antrojo metalo buvimas taip pat turi įtakos pirmojo metalo savybėms.
„Galima pradėti matyti tai, ką mes vadiname sinergetiniu efektu tarp dviejų metalų centrų“, – sakė Kongas. „Bimetalinės katalizės srityje jau pradedamas rodyti tikrai unikalus ir nuostabus reaktyvumas.“
Kongas teigė, kad vis dar yra daug neaiškumų dėl to, kaip metalai jungiasi vienas su kitu molekuliniuose junginiuose. Jį žavėjo tiek pačios chemijos grožis, tiek rezultatai. Kongas buvo pakviestas į Lankasterio laboratorijas dėl jų rentgeno spektroskopijos patirties.
„Tai simbiozė“, – sakė Lancasteris. „Rentgeno spindulių spektroskopija padėjo Richardui suprasti, kas vyksta užkulisiuose ir kas daro alavą ypač reaktyvų ir galintį vykti šiai cheminei reakcijai. Mums buvo naudingas jo išsamios žinios apie pagrindinių grupių chemiją, kurios atvėrė grupei duris į naują sritį.“
Viskas priklauso nuo pagrindinės chemijos ir tyrimų, sako Kongas, o šį požiūrį įgalina „Open Klarman“ stipendija.
„Įprastą dieną galiu atlikti reakcijas laboratorijoje arba sėdėti prie kompiuterio ir imituoti molekules“, – sakė jis. „Stengiamės gauti kuo išsamesnį cheminio aktyvumo vaizdą.“