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 mąstė apie chemines reakcijas. Dirbdamas, kaip pats sako, „profesionaliu garso inžinieriumi“, jis domisi ne tik jame kylančiomis reakcijomis, bet ir naujų reakcijų provokavimu.
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 katalizatorių norimai reakcijai valdyti, ir tai įvyko. 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 universiteto profesoriaus, Kongo požiūris puikiai atitinka Lancasterio laboratorijos „atradimais pagrįstą“ požiūrį. „Richardas turėjo idėją panaudoti alavą savo chemijos gamyboje, bet tai niekada nebuvo mano planuose“, – sakė Lancasteris. „Tai katalizatorius selektyviam anglies dioksido pavertimui kažkuo vertingesniu, o anglies dioksidas sulaukia daug neigiamo dėmesio.“
Kongas ir jo bendradarbiai neseniai atrado sistemą, kuri tam tikromis sąlygomis gali paversti anglies dioksidą skruzdžių rūgštimi.
„Nors šiuo metu dar nesame arti pažangiausio reaktyvumo, mūsų sistema yra labai konfigūruojama“, – sakė Kongas. „Taigi galime pradėti giliau suprasti, kodėl kai kurie katalizatoriai veikia greičiau nei kiti, kodėl kai kurie katalizatoriai yra iš esmės geresni. Galime reguliuoti katalizatorių parametrus ir pabandyti suprasti, kas lemia šių dalykų greitesnį veikimą, nes kuo greičiau jie veikia, tuo geriau – galite greičiau sukurti molekules.“
Kaip „Klarman“ bendradarbis, Kongas taip pat dirba siekdamas nitratus, įprastas trąšas, kurios toksiškai prasiskverbia į vandens kelius, iš aplinkos paversti kažkuo nekenksmingu, sako jis.
Kongas eksperimentavo su įprastais žemės metalais, tokiais kaip aliuminis ir alavas, kaip katalizatoriais. Šie metalai yra pigūs, netoksiški ir gausūs Žemės plutoje, todėl jų naudojimas nekels tvarumo problemų, sakė jis.
„Mes taip pat aiškinamės, kaip pagaminti katalizatorius, kuriuose du iš šių metalų sąveikautų vienas su kitu“, – sakė Kongas. „Naudodami du metalus karkase, kokias reakcijas ir įdomius klausimus galime gauti iš bimetalinių sistemų?“ „Cheminė reakcija?“
Pasak Kongo, pastoliai yra cheminė aplinka, kurioje yra šie metalai.
Pastaruosius 70 metų cheminėms transformacijoms atlikti buvo įprasta naudoti vieną metalo centrą, tačiau per pastarąjį dešimtmetį ar panašiai šios srities chemikai pradėjo tyrinėti sinergetinę sąveiką tarp dviejų chemiškai sujungtų arba gretimų metalų. Kongas teigė: „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 jungiasi su substratais, bet gerai suardo ryšius, gali veikti su kitu metalo centru, kuris blogai suardo ryšius, bet gerai sujungia 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 pradeda ryškėti tikrai unikalios ir nuostabios reakcijos.“
Kongas teigė, kad vis dar yra daug neaiškumų dėl to, kaip metalai jungiasi tarpusavyje molekulinėse formose. Jį žavėjo tiek pačios chemijos grožis, tiek rezultatai. Kongas buvo pakviestas į Lankasterio laboratoriją dėl jų rentgeno spektroskopijos patirties.
„Tai simbiozė“, – sakė Lancasteris. „Rentgeno spindulių spektroskopija padėjo Richardui suprasti, kas slypi po gaubtu ir kas daro alavą ypač reaktyvų ir gebantį atlikti šią cheminę reakciją. Mes galime pasinaudoti jo plačiomis žiniomis apie pagrindinių grupių chemiją, kurios atvėrė kelią naujoje srityje.“
Viskas priklauso nuo pagrindinės chemijos ir tyrimų – šį požiūrį įgalino „Open Klarman Fellowship“, sakė Kongas.
„Paprastai reakciją galiu atlikti laboratorijoje arba sėdėti prie kompiuterio ir imituoti molekulę“, – sakė jis. „Stengiamės gauti kuo išsamesnį cheminio aktyvumo vaizdą.“