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?
Expert op het gebied van chemische katalyse Richard Kong heeft zich verdiept in chemische reacties. In zijn werk als "professioneel geluidstechnicus", zoals hij het zelf noemt, is hij niet alleen geïnteresseerd in de reacties die in hemzelf ontstaan, maar ook in het uitlokken 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 ontwierpen een katalysator om de gewenste reactie te sturen, en dat lukte. 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 chemie en chemische biologie (A&S) en professor van Kong, sluit Kongs aanpak goed aan bij de 'ontdekkingsgerichte' benadering van Lancasters lab. "Richard had het idee om tin te gebruiken om zijn chemie te verbeteren, iets wat ik nooit had bedacht," zei Lancaster. "Het is een katalysator voor de selectieve omzetting van koolstofdioxide in iets waardevollers, en koolstofdioxide heeft een slechte reputatie."
Kong en zijn medewerkers hebben onlangs een systeem ontdekt dat onder bepaalde omstandigheden koolstofdioxide kan omzetten in mierenzuur.
"Hoewel we momenteel nog lang niet de meest geavanceerde reactiviteit hebben bereikt, is ons systeem zeer flexibel in te stellen", aldus Kong. "Daardoor kunnen we beter begrijpen waarom sommige katalysatoren sneller werken dan andere, en waarom sommige katalysatoren inherent beter zijn. We kunnen de parameters van de katalysatoren afstemmen en proberen te achterhalen wat ervoor zorgt dat ze sneller werken, want hoe sneller ze werken, hoe beter – je kunt dan sneller moleculen aanmaken."
Als Klarman Fellow werkt Kong er ook aan om nitraten, veelvoorkomende meststoffen die op giftige wijze in waterwegen terechtkomen, om te zetten in iets onschadelijks, zegt hij.
Kong experimenteerde met veelvoorkomende aardmetalen 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 onderzoeken ook hoe we katalysatoren kunnen maken waarbij twee van deze metalen met elkaar reageren," zei Kong. "Wat voor reacties en interessante vragen kunnen we krijgen van bimetallische systemen door twee metalen in het raamwerk te gebruiken?" "chemische reactie?"
Volgens Kong is het steigerwerk de chemische omgeving waarin deze metalen zich bevinden.
De afgelopen 70 jaar was het gebruikelijk om één enkel metaalcentrum te gebruiken voor chemische transformaties, maar de afgelopen tien jaar zijn chemici in dit vakgebied synergetische interacties tussen twee chemisch verbonden of naast elkaar gelegen metalen gaan onderzoeken. "Dat geeft je meer vrijheidsgraden", aldus Kong.
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 bovendien de eigenschappen van het eerste metaal.
"Je kunt een synergetisch effect tussen de twee metaalcentra zien ontstaan", aldus Kong. "Er beginnen zich echt unieke en fantastische reacties af te tekenen op het gebied van bimetallische katalyse."
Kong zei dat er nog steeds veel onzekerheid bestaat over hoe metalen zich in moleculaire vormen aan elkaar binden. Hij was evenzeer gefascineerd door de schoonheid van de chemie zelf als door de resultaten. Kong werd naar het laboratorium van Lancaster gehaald vanwege hun expertise in röntgenspectroscopie.
"Het is een symbiose," zei Lancaster. "Röntgenspectroscopie hielp Richard te begrijpen wat er zich onder de motorkap afspeelde en wat tin zo bijzonder reactief maakte en in staat stelde tot deze chemische reactie. Wij profiteren van zijn uitgebreide kennis van de chemie van de hoofdgroepselementen, wat een nieuw onderzoeksgebied heeft geopend."
Het komt allemaal neer op basischemie en onderzoek, een aanpak die mogelijk is gemaakt door de Open Klarman Fellowship, aldus Kong.
"Normaal gesproken kan ik de reactie in het lab uitvoeren of achter de computer de molecule simuleren," zei hij. "We proberen een zo compleet mogelijk beeld te krijgen van de chemische activiteit."