Chemische Reaktionen finden ständig um uns herum statt – das ist offensichtlich, wenn man darüber nachdenkt, aber wie viele von uns tun das, wenn wir ein Auto starten, ein Ei kochen oder unseren Rasen düngen?
Der Experte für chemische Katalyse, Richard Kong, beschäftigt sich mit chemischen Reaktionen. In seiner Tätigkeit als „professioneller Tuner“, wie er es nennt, interessiert er sich nicht nur für spontan auftretende Reaktionen, sondern auch für die Identifizierung neuer Reaktionen.
Als Klarman-Stipendiatin für Chemie und Chemische Biologie am College of Arts and Sciences arbeitet Kong an der Entwicklung von Katalysatoren, die chemische Reaktionen zu den gewünschten Ergebnissen führen und so sichere und sogar wertvolle Produkte schaffen, darunter solche, die sich positiv auf die menschliche Gesundheit auswirken können. Mittwoch.
„Viele chemische Reaktionen laufen von selbst ab“, sagte Kong und bezog sich dabei auf die Freisetzung von Kohlendioxid beim Verbrennen fossiler Brennstoffe in Autos. „Komplexere chemische Reaktionen hingegen laufen nicht automatisch ab. Hier kommt die chemische Katalyse ins Spiel.“
Kong und seine Kollegen entwickelten Katalysatoren, um die gewünschten Reaktionen gezielt zu steuern. So lässt sich beispielsweise Kohlendioxid in Ameisensäure, Methanol oder Formaldehyd umwandeln, indem man den passenden Katalysator auswählt und mit den Reaktionsbedingungen experimentiert.
Laut Kyle Lancaster, Professor für Chemie und Chemische Biologie (A&S) und Betreuer von Kong, passt Kongs Ansatz gut zum „entdeckungsorientierten“ Ansatz von Lancasters Labor. „Richard hatte die Idee, Zinn zur Verbesserung seiner chemischen Reaktionen einzusetzen, was ursprünglich nicht in meinem Plan vorgesehen war“, sagte Lancaster. „Er verfügt über einen Katalysator, der Kohlendioxid, über das in der Presse viel berichtet wird, selektiv in etwas Wertvolleres umwandeln kann.“
Kong und seine Mitarbeiter haben vor kurzem ein System entdeckt, das unter bestimmten Bedingungen Kohlendioxid in Ameisensäure umwandeln kann.
„Obwohl wir in puncto Reaktionsfähigkeit noch nicht auf dem neuesten Stand der Technik sind, ist unser System hochgradig anpassbar“, sagte Kong. „So können wir besser verstehen, warum manche Katalysatoren schneller wirken als andere, warum manche Katalysatoren von Natur aus besser sind. Wir können die Parameter der Katalysatoren optimieren und versuchen zu verstehen, was ihre schnellere Wirkung bewirkt, denn je schneller sie wirken, desto besser wirken sie und desto schneller lassen sich Moleküle herstellen.“
Als Klarman Fellow arbeitet Kong auch daran, Nitrate, einen häufig verwendeten Dünger, der giftig in die Gewässer sickert, aus der Umwelt zu entfernen und in harmlosere Substanzen umzuwandeln, sagte er.
Kong experimentierte mit der Verwendung von in der Erde vorkommenden Metallen wie Aluminium und Zinn als Katalysatoren. Diese Metalle seien billig, ungiftig und in der Erdkruste reichlich vorhanden, weshalb ihre Verwendung keine Nachhaltigkeitsprobleme mit sich bringe, sagte er.
„Wir arbeiten auch daran, Katalysatoren herzustellen, bei denen zwei Metalle miteinander interagieren“, sagte Kong. „Welche Reaktionen und interessanten chemischen Prozesse können wir durch die Verwendung zweier Metalle in einem Gerüst in bimetallischen Systemen erzielen?“
Wälder sind das chemische Milieu, in dem diese Metalle vorkommen – sie sind entscheidend dafür, dass diese Metalle ihr Potenzial entfalten können, genau wie man die richtige Kleidung für das jeweilige Wetter braucht, sagte Kong.
Seit 70 Jahren ist es üblich, für chemische Reaktionen ein einzelnes Metallzentrum zu verwenden. Doch in den letzten zehn Jahren haben Chemiker begonnen, die Verbindung zweier Metalle zu untersuchen, sei es chemisch oder in unmittelbarer Nähe. „Dadurch ergeben sich mehr Freiheitsgrade“, erklärt Kong.
Laut Kong ermöglichen diese Bimetallkatalysatoren Chemikern, Metallkatalysatoren gezielt aufgrund ihrer Stärken und Schwächen zu kombinieren. Beispielsweise kann ein Metallzentrum, das schlecht an Substrate bindet, aber Bindungen gut spaltet, mit einem anderen Metallzentrum zusammenwirken, das Bindungen schlecht spaltet, aber gut an Substrate bindet. Die Anwesenheit des zweiten Metalls beeinflusst auch die Eigenschaften des ersten Metalls.
„Man kann einen sogenannten Synergieeffekt zwischen den beiden Metallzentren beobachten“, sagte Kong. „Das Gebiet der Bimetallkatalyse zeigt bereits jetzt einige wirklich einzigartige und bemerkenswerte Reaktivitäten.“
Kong erklärte, es gäbe noch viele Unklarheiten darüber, wie Metalle in Molekülverbindungen miteinander interagieren. Er war von der Schönheit der Chemie selbst ebenso begeistert wie von den Ergebnissen. Kong wurde aufgrund der Expertise der Lancaster Laboratories im Bereich der Röntgenspektroskopie dorthin geholt.
„Es ist eine Symbiose“, sagte Lancaster. „Die Röntgenspektroskopie half Richard zu verstehen, was im Hintergrund vor sich ging und warum Zinn besonders reaktiv ist und diese chemische Reaktion eingehen kann. Wir profitierten von seinem umfassenden Wissen über die Chemie der Hauptgruppen, was der Arbeitsgruppe ein neues Forschungsgebiet eröffnete.“
Letztendlich kommt es auf grundlegende Chemie und Forschung an, sagt Kong, und dieser Ansatz wird durch ein Open-Klarman-Stipendium ermöglicht.
„An einem typischen Tag kann ich Reaktionen im Labor durchführen oder am Computer Moleküle simulieren“, sagte er. „Wir versuchen, ein möglichst vollständiges Bild der chemischen Aktivität zu erhalten.“