תגובות כימיות מתרחשות סביבנו כל הזמן - ברור מאליו כשחושבים על זה, אבל כמה מאיתנו עושים את זה כשאנחנו מניעים מכונית, מרתיחים ביצה או מדשנים את הדשא שלנו?
מומחה הקטליזה הכימית ריצ'רד קונג חשב על תגובות כימיות. בעבודתו כ"מכוון מקצועי", כפי שהוא מגדיר זאת, הוא לא מתעניין רק בתגובות שמתעוררות מעצמן, אלא גם בזיהוי תגובות חדשות.
כעמית קלרמן בכימיה וביולוגיה כימית במכללה לאמנויות ומדעים, קונג עובד על פיתוח זרזים המניעים תגובות כימיות להשגת התוצאות הרצויות, ויוצר מוצרים בטוחים ואף בעלי ערך מוסף, כולל כאלה שיכולים להשפיע לטובה על בריאות האדם. יום רביעי.
"כמות משמעותית של תגובות כימיות מתרחשות ללא עזרה", אמר קונג, בהתייחסו לשחרור פחמן דו-חמצני כאשר מכוניות שורפות דלקים מאובנים. "אבל תגובות כימיות מורכבות ומורכבות יותר אינן מתרחשות באופן אוטומטי. כאן נכנסת לתמונה קטליזה כימית."
קונג ועמיתיו פיתחו זרזים כדי לכוון את התגובות שהם רצו שיתרחשו. לדוגמה, ניתן להמיר פחמן דו-חמצני לחומצה פורמית, מתנול או פורמלדהיד על ידי בחירת הזרז הנכון וניסויים בתנאי תגובה.
לדברי קייל לנקסטר, פרופסור לכימיה וביולוגיה כימית (A&S) ומנחה המחקר של קונג, גישתו של קונג משתלבת היטב עם הגישה "מונעת הגילוי" של המעבדה של לנקסטר. "לריצ'רד היה רעיון להשתמש בפח כדי לשפר את הכימיה שלו, דבר שמעולם לא היה בתסריט שלי", אמר לנקסטר. "יש לו זרז שיכול להמיר באופן סלקטיבי פחמן דו-חמצני, עליו מדברים הרבה בתקשורת, למשהו בעל ערך רב יותר".
קונג ועמיתיו גילו לאחרונה מערכת שיכולה, בתנאים מסוימים, להמיר פחמן דו-חמצני לחומצה פורמית.
"אמנם עדיין לא הגענו למצב העדכני ביותר מבחינת תגובתיות, אך המערכת שלנו ניתנת להתאמה אישית רבה", אמר קונג. "בדרך זו, נוכל להתחיל להבין לעומק מדוע זרזים מסוימים פועלים מהר יותר מאחרים, ומדוע זרזים מסוימים טובים יותר מטבעם. נוכל לכוונן את הפרמטרים של הזרזים ולנסות להבין מה גורם לדברים האלה לעבוד מהר יותר, כי ככל שהם פועלים מהר יותר, כך הם פועלים טוב יותר, כך ניתן ליצור מולקולות מהר יותר."
כעמית קלרמן, קונג עובד גם על הסרת ניטרטים, דשן נפוץ שמחלחל בצורה רעילה לנתיבי מים, מהסביבה והפיכתם לחומרים לא מזיקים יותר, הוא אמר.
קונג ניסה להשתמש במתכות הנמצאות בכדור הארץ, כמו אלומיניום ובדיל, כזרזים. המתכות זולות, אינן רעילות ונמצאות בשפע בקרום כדור הארץ, כך שהשימוש בהן לא יהווה בעיות קיימות, הוא אמר.
"אנחנו גם עובדים על איך לייצר זרזים שבהם שתי מתכות מקיימות אינטראקציה זו עם זו", אמר קונג. "באמצעות שימוש בשתי מתכות במסגרת אחת, אילו תגובות ותהליכים כימיים מעניינים נוכל לקבל ממערכות דו-מתכתיות?"
יערות הם הסביבה הכימית המחזיקה את המתכות הללו - הם קריטיים לפתיחת הפוטנציאל של מתכות אלו לבצע את עבודתן, בדיוק כמו שצריך את הבגדים הנכונים למזג האוויר הנכון, אמר קונג.
במשך 70 השנים האחרונות, הסטנדרט היה להשתמש במרכז מתכת יחיד כדי להשיג מעברים כימיים, אך בעשור האחרון בערך, כימאים בתחום החלו לחקור את האיחוד של שתי מתכות, בין אם מבחינה כימית ובין אם בסמיכות. ראשית, אומר קונג, "זה נותן לך יותר דרגות חופש".
קונג אומר כי הזרזים הבי-מתכתיים הללו מעניקים לכימאים את היכולת לשלב זרזים מתכתיים על סמך נקודות החוזק והחולשה שלהם. לדוגמה, מרכז מתכת שנקשר בצורה גרועה למצעים אך שובר קשרים היטב עשוי לעבוד עם מרכז מתכת אחר שנוצר קשרים בצורה גרועה אך נקשר היטב למצעים. נוכחות המתכת השנייה משפיעה גם על תכונות המתכת הראשונה.
"ניתן להתחיל לקבל את מה שאנו מכנים אפקט סינרגטי בין שני מרכזי המתכת", אמר קונג. "תחום הקטליזה הבי-מתכתית כבר מתחיל להראות תגובתיות ייחודית ונפלאה באמת."
קונג אמר שעדיין קיימות אי-בהירויות רבות לגבי האופן שבו מתכות נקשרות זו לזו בתרכובות מולקולריות. הוא התרגש מיופייה של הכימיה עצמה לא פחות מהתוצאות. קונג הובא למעבדות לנקסטר בזכות המומחיות שלהם בספקטרוסקופיית קרני רנטגן.
"זוהי סימביוזה", אמר לנקסטר. "ספקטרוסקופיית קרני רנטגן עזרה לריצ'רד להבין מה קורה מאחורי הקלעים ומה הופך את הבדיל לראקטיבי במיוחד ומסוגל לתגובה כימית זו. נהנינו מהידע הנרחב שלו בכימיה של קבוצות עיקריות, שפתח בפני הקבוצה את הדלת לתחום חדש."
הכל מסתכם בכימיה בסיסית ובמחקר, אומר קונג, וגישה זו מתאפשרת הודות למלגת Open Klarman.
"ביום טיפוסי, אני יכול להריץ תגובות במעבדה או לשבת מול מחשב ולדמות מולקולות", הוא אמר. "אנחנו מנסים לקבל תמונה מלאה ככל האפשר של הפעילות הכימית".