Kemiska reaktioner sker runt omkring oss hela tiden – uppenbart när man tänker på det, men hur många av oss gör det när vi startar en bil, kokar ett ägg eller gödslar vår gräsmatta?
Richard Kong, expert på kemisk katalys, har funderat över kemiska reaktioner. I sitt arbete som "professionell kalibrator", som han uttrycker det, är han inte bara intresserad av reaktioner som uppstår av sig själva, utan också av att identifiera nya reaktioner.
Som Klarman Fellow i kemi och kemisk biologi vid College of Arts and Sciences arbetar Kong med att utveckla katalysatorer som driver kemiska reaktioner till önskade resultat, och skapar säkra och till och med mervärdesprodukter, inklusive de som kan ha en positiv inverkan på människors hälsa. Onsdag.
"En betydande mängd kemiska reaktioner sker utan hjälp", sa Kong, med hänvisning till utsläppet av koldioxid när bilar förbränner fossila bränslen. "Men mer komplexa och komplexa kemiska reaktioner sker inte automatiskt. Det är här kemisk katalys kommer in i bilden."
Kong och hans kollegor utvecklade katalysatorer för att styra de reaktioner de ville att skulle ske. Till exempel kan koldioxid omvandlas till myrsyra, metanol eller formaldehyd genom att välja rätt katalysator och experimentera med reaktionsförhållanden.
Enligt Kyle Lancaster, professor i kemi och kemisk biologi (A&S) och Kongs moderator, passar Kongs tillvägagångssätt väl ihop med det "upptäcktsdrivna" tillvägagångssättet i Lancasters laboratorium. "Richard hade idén att använda tenn för att förbättra sin kemi, vilket aldrig fanns med i mitt manus", sa Lancaster. "Han har en katalysator som selektivt kan omvandla koldioxid, som det talas mycket om i pressen, till något mer värdefullt."
Kong och hans medarbetare upptäckte nyligen ett system som under vissa förhållanden kan omvandla koldioxid till myrsyra.
"Även om vi ännu inte är på topp när det gäller responsivitet, är vårt system mycket anpassningsbart", sa Kong. "På så sätt kan vi börja förstå djupare varför vissa katalysatorer fungerar snabbare än andra, varför vissa katalysatorer i sig är bättre. Vi kan justera katalysatorernas parametrar och försöka förstå vad som gör att dessa saker fungerar snabbare, för ju snabbare de fungerar, desto bättre fungerar de, desto snabbare kan man skapa molekyler."
Som Klarman Fellow arbetar Kong också med att avlägsna nitrater, ett vanligt gödningsmedel som sipprar giftigt ut i vattendrag, från miljön och omvandla dem till mer ofarliga ämnen, sa han.
Kong experimenterade med att använda metaller som finns i jorden, såsom aluminium och tenn, som katalysatorer. Metallerna är billiga, giftfria och finns i överflöd i jordskorpan, så att använda dem kommer inte att medföra några hållbarhetsproblem, sa han.
"Vi arbetar också med hur man kan tillverka katalysatorer där två metaller interagerar med varandra", sa Kong. "Genom att använda två metaller i ett ramverk, vilka reaktioner och intressanta kemiska processer kan vi få från bimetalliska system?"
Skogar är den kemiska miljö som innehåller dessa metaller – de är avgörande för att frigöra metallernas potential att göra sitt jobb, precis som man behöver rätt kläder för rätt väder, sa Kong.
Under de senaste 70 åren har standarden varit att använda ett enda metallcentrum för att uppnå kemiska övergångar, men under det senaste decenniet eller så har kemister inom området börjat undersöka föreningen av två metaller, antingen kemiskt eller i nära anslutning till varandra. För det första, säger Kong, "ger det dig fler frihetsgrader."
Dessa bimetalliska katalysatorer ger kemister möjligheten att kombinera metallkatalysatorer baserat på deras styrkor och svagheter, säger Kong. Till exempel kan en metallkärna som binder dåligt till substrat men bryter bindningar bra fungera med en annan metallkärna som bryter bindningar dåligt men binder bra till substrat. Närvaron av den andra metallen påverkar också egenskaperna hos den första metallen.
”Man kan börja se vad vi kallar en synergistisk effekt mellan de två metallcentren”, sa Kong. ”Fältet bimetallkatalys börjar redan visa en verkligt unik och fantastisk reaktivitet.”
Kong sa att det fortfarande finns många oklarheter kring hur metaller binder till varandra i molekylära föreningar. Han var lika exalterad över själva kemins skönhet som över resultaten. Kong anlitades för Lancaster Laboratories på grund av deras expertis inom röntgenspektroskopi.
”Det är en symbios”, sa Lancaster. ”Röntgenspektroskopi hjälpte Richard att förstå vad som försiggick bakom kulisserna och vad som gör tenn särskilt reaktivt och kapabelt till denna kemiska reaktion. Vi drog nytta av hans omfattande kunskap om huvudgruppskemi, vilket öppnade dörren för gruppen till ett nytt område.”
Allt handlar om grundläggande kemi och forskning, säger Kong, och detta tillvägagångssätt möjliggörs av ett Open Klarman-stipendium.
”En vanlig dag kan jag köra reaktioner i labbet eller sitta vid en dator och simulera molekyler”, sa han. ”Vi försöker få en så komplett bild av kemisk aktivitet som möjligt.”