Расположение реакционного сосуда над магнитной мешалкой повлияло на результаты химических экспериментов

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  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».