Chemische reacties vinden voortdurend om ons heen plaats – logisch als je erover nadenkt, maar hoeveel van ons doen het als we een auto starten, een ei koken of ons gazon bemesten?
Richard Kong, expert op het gebied van chemische katalyse, heeft zich verdiept in chemische reacties. In zijn werk als "professionele tuner", zoals hij het zelf noemt, is hij niet alleen geïnteresseerd in reacties die spontaan ontstaan, maar ook in het identificeren van nieuwe reacties.
Als Klarman Fellow in Chemie en Chemische Biologie aan het College of Arts and Sciences werkt Kong aan de ontwikkeling van katalysatoren die chemische reacties naar de gewenste resultaten leiden, waardoor veilige en zelfs waardevolle producten ontstaan, waaronder producten die een positieve invloed kunnen hebben op de menselijke gezondheid. Woensdag.
"Een aanzienlijk aantal chemische reacties vindt spontaan plaats," zei Kong, verwijzend naar de uitstoot van kooldioxide bij de verbranding van fossiele brandstoffen door auto's. "Maar steeds complexere chemische reacties verlopen niet automatisch. Dat is waar chemische katalyse een rol speelt."
Kong en zijn collega's ontwikkelden katalysatoren om de gewenste reacties te sturen. Koolstofdioxide kan bijvoorbeeld worden omgezet in mierenzuur, methanol of formaldehyde door de juiste katalysator te kiezen en te experimenteren met de reactieomstandigheden.
Volgens Kyle Lancaster, hoogleraar scheikunde en chemische biologie (A&S) en moderator van Kong, sluit Kongs aanpak goed aan bij de 'ontdekkingsgerichte' aanpak van Lancasters lab. "Richard had het idee om tin te gebruiken om zijn chemie te verbeteren, iets wat ik zelf nooit had bedacht," zei Lancaster. "Hij heeft een katalysator die koolstofdioxide, waar veel over geschreven wordt in de pers, selectief kan omzetten in iets waardevollers."
Kong en zijn medewerkers hebben onlangs een systeem ontdekt dat onder bepaalde omstandigheden koolstofdioxide kan omzetten in mierenzuur.
"Hoewel we qua reactiesnelheid nog niet de allernieuwste technologie hebben, is ons systeem wel zeer flexibel aan te passen", aldus Kong. "Op deze manier kunnen we beter begrijpen waarom sommige katalysatoren sneller werken dan andere, waarom sommige katalysatoren inherent beter zijn. We kunnen de parameters van de katalysatoren aanpassen en proberen te achterhalen wat ervoor zorgt dat ze sneller werken, want hoe sneller ze werken, hoe beter ze werken en hoe sneller je moleculen kunt aanmaken."
Als Klarman Fellow werkt Kong er ook aan om nitraten, een veelgebruikte meststof die op giftige wijze in waterwegen terechtkomt, uit het milieu te verwijderen en om te zetten in onschadelijkere stoffen, aldus Kong.
Kong experimenteerde met het gebruik van metalen die in de aarde voorkomen, zoals aluminium en tin, als katalysatoren. Deze metalen zijn goedkoop, niet-giftig en komen in overvloed voor in de aardkorst, dus het gebruik ervan zal geen problemen opleveren voor de duurzaamheid, zei hij.
"We werken ook aan de ontwikkeling van katalysatoren waarbij twee metalen met elkaar reageren", aldus Kong. "Welke reacties en interessante chemische processen kunnen we verkrijgen met bimetallische systemen door twee metalen in één structuur te combineren?"
Bossen vormen de chemische omgeving waarin deze metalen voorkomen – ze zijn cruciaal om het potentieel van deze metalen te ontsluiten en hun werk te laten doen, net zoals je de juiste kleding nodig hebt voor het juiste weer, aldus Kong.
De afgelopen 70 jaar was het de standaard om één metaalcentrum te gebruiken voor het bewerkstelligen van chemische overgangen, maar de afgelopen tien jaar zijn chemici in dit vakgebied begonnen met het onderzoeken van de verbinding van twee metalen, hetzij chemisch, hetzij in elkaars nabijheid. Ten eerste, zegt Kong, "geeft het je meer vrijheidsgraden."
Deze bimetallische katalysatoren stellen chemici in staat om metaalkatalysatoren te combineren op basis van hun sterke en zwakke punten, aldus Kong. Een metaalcentrum dat slecht aan substraten bindt maar bindingen goed verbreekt, kan bijvoorbeeld samenwerken met een ander metaalcentrum dat slecht bindingen verbreekt maar goed aan substraten bindt. De aanwezigheid van het tweede metaal beïnvloedt ook de eigenschappen van het eerste metaal.
"Je kunt een synergetisch effect tussen de twee metaalcentra zien ontstaan", aldus Kong. "Het vakgebied van bimetallische katalyse begint nu al een aantal werkelijk unieke en fantastische reactiviteit te vertonen."
Kong zei dat er nog steeds veel onduidelijkheden bestaan ​​over hoe metalen zich aan elkaar binden in moleculaire verbindingen. Hij was evenzeer gefascineerd door de schoonheid van de chemie zelf als door de resultaten. Kong werd naar Lancaster Laboratories gehaald vanwege hun expertise in röntgenspectroscopie.
"Het is een symbiose," zei Lancaster. "Röntgenspectroscopie hielp Richard te begrijpen wat er achter de schermen gebeurde en wat tin zo reactief maakt en in staat stelt tot deze chemische reactie. Wij profiteerden van zijn uitgebreide kennis van de chemie van de hoofdgroepselementen, wat de deur opende voor de groep naar een nieuw onderzoeksgebied."
Het komt allemaal neer op basische chemie en onderzoek, zegt Kong, en deze aanpak wordt mogelijk gemaakt door een Open Klarman-beurs.
"Op een doorsnee dag kan ik reacties uitvoeren in het lab of achter een computer zitten om moleculen te simuleren," zei hij. "We proberen een zo compleet mogelijk beeld te krijgen van de chemische activiteit."