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 Arbeit als „professioneller Toningenieur“, wie er sich selbst bezeichnet, interessiert er sich nicht nur für die Reaktionen, die in ihm selbst auftreten, sondern auch dafür, neue Reaktionen auszulösen.
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 einen Katalysator, um die gewünschte Reaktion zu steuern, und es gelang. So lässt sich beispielsweise Kohlendioxid in Ameisensäure, Methanol oder Formaldehyd umwandeln, indem man den richtigen Katalysator auswählt und mit den Reaktionsbedingungen experimentiert.
Laut Kyle Lancaster, Professor für Chemie und Chemische Biologie (A&S) und Professor für Kong, passt Kongs Ansatz gut zum „entdeckungsorientierten“ Ansatz von Lancasters Labor. „Richard hatte die Idee, Zinn zur Verbesserung seiner Chemie einzusetzen, was ursprünglich nicht in meinem Plan vorgesehen war“, sagte Lancaster. „Es ist ein Katalysator für die selektive Umwandlung von Kohlendioxid in wertvollere Stoffe, und Kohlendioxid hat einen schlechten Ruf.“
Kong und seine Mitarbeiter haben vor kurzem ein System entdeckt, das unter bestimmten Bedingungen Kohlendioxid in Ameisensäure umwandeln kann.
„Obwohl wir derzeit noch weit von der optimalen Reaktivität entfernt sind, ist unser System hochgradig konfigurierbar“, sagte Kong. „Daher 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 anpassen und versuchen zu verstehen, was ihre schnellere Wirkung bewirkt, denn je schneller sie wirken, desto besser – man kann Moleküle schneller herstellen.“
Als Klarman Fellow arbeitet Kong auch daran, Nitrate, gängige Düngemittel, die giftig in die Gewässer gelangen, aus der Umwelt in etwas Harmloses umzuwandeln, sagt er.
Kong experimentierte mit häufig vorkommenden Erdmetallen 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 erforschen außerdem, wie man Katalysatoren herstellt, bei denen zwei dieser Metalle miteinander interagieren“, sagte Kong. „Welche Reaktionen und interessanten Fragestellungen ergeben sich durch die Verwendung zweier Metalle im Gerüst in bimetallischen Systemen?“ „Chemische Reaktion?“
Laut Kong ist das Gerüst die chemische Umgebung, in der diese Metalle vorliegen.
Seit 70 Jahren ist es üblich, für chemische Umwandlungen ein einzelnes Metallzentrum zu verwenden, doch in den letzten zehn Jahren haben Chemiker begonnen, synergistische Wechselwirkungen zwischen zwei chemisch gebundenen oder benachbarten Metallen zu erforschen. „Das eröffnet mehr Freiheitsgrade“, sagte 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 kombiniert werden, 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. „Im Bereich der Bimetallkatalyse zeichnen sich einige wirklich einzigartige und faszinierende Reaktionen ab.“
Kong erklärte, es herrsche noch immer große Unsicherheit darüber, wie Metalle in molekularer Form Bindungen eingehen. Er sei von der Schönheit der Chemie selbst ebenso begeistert gewesen wie von den Ergebnissen. Kong wurde aufgrund der Expertise in der Röntgenspektroskopie in Lancasters Labor geholt.
„Es ist eine Symbiose“, sagte Lancaster. „Die Röntgenspektroskopie half Richard zu verstehen, was im Inneren vor sich geht und warum Zinn besonders reaktiv ist und diese chemische Reaktion eingehen kann. Wir profitieren von seinen umfassenden Kenntnissen der Hauptgruppenchemie, die uns ein neues Forschungsfeld eröffnet haben.“
Letztendlich kommt es auf die Grundlagen der Chemie und Forschung an, ein Ansatz, der durch das Open Klarman Fellowship ermöglicht wird, sagte Kong.
„Normalerweise kann ich die Reaktion im Labor durchführen oder am Computer das Molekül simulieren“, sagte er. „Wir versuchen, ein möglichst vollständiges Bild der chemischen Aktivität zu erhalten.“