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?
Kemisk katalysexpert Richard Kong har funderat över kemiska reaktioner. I sitt arbete som "professionell ljudtekniker", som han själv uttrycker det, är han inte bara intresserad av de reaktioner som uppstår inom honom själv, utan också av att provocera fram nya.
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 utformade en katalysator för att styra den reaktion de ville ha, och det skedde. Till exempel kan koldioxid omvandlas till myrsyra, metanol eller formaldehyd genom att välja rätt katalysator och experimentera med reaktionsförhållandena.
Enligt Kyle Lancaster, professor i kemi och kemisk biologi (A&S) och professor vid Kong, passar Kongs tillvägagångssätt väl in i Lancasters laboratoriums "upptäcktsdrivna" tillvägagångssätt. "Richard hade idén att använda tenn för att förbättra sin kemi, vilket aldrig fanns med i mitt manus", sa Lancaster. "Det är en katalysator för selektiv omvandling av koldioxid till något mer värdefullt, och koldioxid får mycket dålig press."
Kong och hans medarbetare upptäckte nyligen ett system som under vissa förhållanden kan omvandla koldioxid till myrsyra.
"Även om vi för närvarande inte är i närheten av den senaste reaktiviteten, är vårt system mycket konfigurerbart", sa Kong. "Så vi kan börja förstå djupare varför vissa katalysatorer fungerar snabbare än andra, varför vissa katalysatorer i sig är bättre. Vi kan finjustera katalysatorernas parametrar och försöka förstå vad som gör att dessa saker fungerar snabbare, för ju snabbare de fungerar, desto bättre – man kan skapa molekyler snabbare."
Som Klarman Fellow arbetar Kong också med att omvandla nitrater, vanliga gödningsmedel som sipprar ut i vattendrag på ett giftigt sätt, från miljön till något ofarligt, säger han.
Kong experimenterade med vanliga jordartsmetaller som aluminium och tenn som katalysatorer. Metallerna är billiga, giftfria och finns i överflöd i jordskorpan, så användningen av dem kommer inte att medföra några hållbarhetsproblem, sa han.
"Vi funderar också på hur man kan tillverka katalysatorer där två av dessa metaller interagerar med varandra", sa Kong. "Genom att använda två metaller i ramverket, vilka typer av reaktioner och intressanta frågor kan vi få från bimetalliska system?" "Kemisk reaktion?"
Enligt Kong är byggnadsställningar den kemiska miljö där dessa metaller finns.
Under de senaste 70 åren har normen varit att använda ett enda metallcentrum för att uppnå kemiska omvandlingar, men under det senaste decenniet eller så har kemister inom området börjat utforska synergistiska interaktioner mellan två kemiskt bundna eller sammanhängande metaller. Kong sa: "Det ger dig fler frihetsgrader."
Dessa bimetalliska katalysatorer ger kemister möjligheten att kombinera metallkatalysatorer baserat på deras styrkor och svagheter, säger Kong. Till exempel kan ett metallcentrum som binder dåligt till substrat men bryter bindningar bra fungera med ett annat metallcentrum 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. ”Några verkligt unika och fantastiska reaktioner börjar dyka upp inom området bimetallisk katalys.”
Kong sa att det fortfarande råder stor osäkerhet kring hur metaller binder till varandra i molekylära former. Han var lika exalterad över själva kemins skönhet som över resultaten. Kong hämtades till Lancasters laboratorium för deras expertis inom röntgenspektroskopi.
”Det är en symbios”, sa Lancaster. ”Röntgenspektroskopi hjälpte Richard att förstå vad som fanns under huven och vad som gjorde tenn särskilt reaktivt och kapabelt till denna kemiska reaktion. Vi drar nytta av hans omfattande kunskap om huvudgruppskemi, vilket har öppnat upp för ett nytt område.”
Allt handlar om grundläggande kemi och forskning, ett tillvägagångssätt som möjliggjorts tack vare Open Klarman Fellowship, sa Kong.
”Vanligtvis kan jag köra reaktionen i labbet eller sitta vid datorn och simulera molekylen”, sa han. ”Vi försöker få en så komplett bild av den kemiska aktiviteten som möjligt.”