Российские химики изучили, как положение реакционного сосуда над магнитной мешалкой влияет на протекание гетерогенных реакций. Выяснилось, что образование наночастиц палладия и реакция Судзуки протекают с разными скоростями и выходами в зависимости от того, насколько далеко от центра мешалки располагается реакционный сосуд. Это может приводить к публикации невоспроизводимых результатов, предупреждают авторы в журнале JACS Au.
В лаборатории реакционные смеси обычно перемешивают с помощью магнитных мешалок. В колбу или другой реакционный сосуд химик погружает магнитный якорь, как правило, цилиндрической формы, а затем закрепляет колбу в штативе над магнитной мешалкой. На мешалке можно настроить число оборотов якоря в минуту, а затем включить перемешивание. Якорь начинает вращаться и перемешивать реакционную смесь.
Хорошо известно, что в реакциях на большие загрузки исходных реагентов перемешивание играет важную роль, и при плохом перемешивании реакция может вообще не пойти или привести к другим продуктам. Но принято считать, что для небольших сосудов объемом несколько миллилитров, которые обычно и используют химики в экспериментах, эффекты перемешивания менее важны.
Усомнились в этом химики под руководством Валентина Ананикова (Valentin P. Ananikov) из Института органической химии имени Зелинского РАН. В ходе своей работы они заметили, что некоторые гетерогенные реакции трудно воспроизводятся, и решили изучить причины этого явления. Как оказалось, в некоторых случаях это связано именно с перемешиванием реакционной смеси.
Чтобы продемонстрировать, как небольшие различия в перемешивании влияют на ход реакции, химики распечатали на 3D-принтере штатив для небольших баночек с закручивающимися крышками. В штативе было три уровня по высоте, на каждом из которых можно было расположить по пять баночек. Далее химики поместили в штатив 15 баночек с палладиевым комплексом и углеродными нанотрубками и наблюдали, как реакция осаждения палладия на нанотрубках протекает в зависимости от положения баночки. Оказалось, что не только скорости реакции отличались от баночки к баночке, но и распределения получившихся наночастиц палладия по размеру. Так, в одной из баночек во втором ряду преобладали частицы размером в четыре нанометра, а в одной из баночек в третьем ряду — около одного нанометра. Схожие различия химики наблюдали и в реакции образования палладиевых наночастиц без нанотрубок.
Następnie naukowcy zbadali, jak położenie naczynia nad mieszadłem wpływa na konwersję reakcji Suzuki katalizowanej komercyjnie dostępnym palladem na węglu. W tym przypadku dziewięć mieszanin reakcyjnych umieszczono na tej samej wysokości, ale w różnych położeniach względem środka mieszadła. W rezultacie średnia konwersja materiału wyjściowego w środku mieszadła wyniosła około 45%, a w skrajnym położeniu około 26%.
Zatem w przypadku niektórych reakcji niewielkie różnice w mieszaniu mogą prowadzić do dużych różnic w wynikach. Jak wykazali naukowcy, reakcje często przebiegają szybciej i z lepszą wydajnością, gdy naczynie reakcyjne jest umieszczone jak najbliżej środka mieszadła. Właśnie w ten sposób autorzy artykułu radzą innym chemikom przeprowadzać reakcje chemiczne. Zalecają również, aby w części eksperymentalnej publikacji chemicznych uwzględniać parametry mieszadła magnetycznego i kotwicy magnetycznej, a także zdjęcie mieszaniny reakcyjnej.
Na wyniki eksperymentów chemicznych mogą wpływać bardzo niewielkie różnice w czystości materiałów wyjściowych, naczynia reakcyjnego i kotwicy magnetycznej. W artykule „Ciemna strona katalizy” szczegółowo omówiliśmy, jak utrudnia to badanie reakcji katalitycznych.
