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.
Далее ученые исследовали, как положение сосуда над мешалкой влияет на конверсию реакции Судзуки, катализируемой покупным палладием на угле. В этом случае девять реакционных смесей располагались на одном уровне по высоте, но в разных положениях относительно центра мешалки. В результате средняя конверсия исходного вещества в центре мешалки составила около 45 процентов, а в наиболее удаленном положении — около 26 процентов.
Таким образом, для некоторых реакций небольшие различия в перемешивании могут приводить к большим различиям в результатах. Как показали ученые, чаще всего реакции идут быстрее и с лучшим выходом, если реакционный сосуд располагается наиболее близко к центру мешалки. Именно так авторы статьи советуют другим химикам проводить химические реакции. Также они считают, что в экспериментальной части публикаций по химии стоит указывать параметры магнитной мешалки и магнитного якоря, а также прикладывать фото реакционной смеси.
На результаты химических экспериментов могут влиять очень небольшие отличия в чистоте исходных веществ, реакционного сосуда и магнитного якоря. Подробнее о том, как трудно из-за этого изучать каталитические реакции, мы рассказывали в материале «Потемки катализа».