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.
Далі вчені досліджували, як положення судини над мішалкою впливає на конверсію реакції Судзукі, що каталізується покупним паладієм на вугіллі. У цьому випадку дев'ять реакційних сумішей розташовувалися на одному рівні за висотою, але в різних положеннях щодо центру мішалки. В результаті середня конверсія вихідної речовини в центрі мішалки становила близько 45 відсотків, а найбільш віддаленому положенні — близько 26 відсотків.
Таким чином, для деяких реакцій невеликі відмінності у перемішуванні можуть призводити до великих відмінностей у результатах. Як показали вчені, найчастіше реакції йдуть швидше і з кращим виходом, якщо реакційна судина розташовується найближче до центру мішалки. Саме так автори статті радять іншим хімікам проводити хімічні реакції. Також вони вважають, що в експериментальній частині публікацій з хімії варто вказувати параметри магнітної мішалки та магнітного якоря, а також прикладати фото реакційної суміші.
На результати хімічних експериментів можуть впливати дуже невеликі відмінності в чистоті вихідних речовин, реакційної судини та магнітного якоря. Докладніше про те, як важко через це вивчати каталітичні реакції, ми розповідали в матеріалі «Потемки каталізу».
