Хіміки відкрили абсолютно нову молекулярну структуру: це змінить майбутнє "розумних" матеріалів

Про що це нове відкриття?

Металоцени – одні з найважливіших молекул в органометалічній хімії. Вони мають унікальну архітектуру: атом металу надійно затиснутий між двома вуглецевими кільцями, що створює структуру, яку науковці часто називають молекулярним сендвічем. Їх використовують у найрізноманітніших сферах – від каталізу та матеріалознавства до медицини, сенсорів і технологій доставки ліків. Попри це, вчені довгий час не могли точно простежити процес їхнього формування, оскільки ключові проміжні стадії існують лише частки секунди, перш ніж трансформуватися у щось інше. Дослідження в журналі Journal of the American Chemical Society дає відповідь на цю загадку.

Нещодавно дослідники з Окінавського інституту науки і технологій (OIST) зробили прорив, зафіксувавши та повністю описавши раніше небачений проміжний етап утворення металоценів. Їхні висновки дають нове розуміння того, як збираються ці молекули, як вони вступають у реакції та як їх можна вдосконалити для майбутнього використання.

Одним із найбільш відомих представників цієї групи матеріалів є фероцен – молекула, де атом заліза розташований між двома кільцями з п'яти атомів вуглецю. Його відкриття стало настільки важливим для науки, що принесло розробникам Нобелівську премію з хімії 1973 року. Фероцен підпорядковується класичному принципу: стабільні комплекси перехідних металів зазвичай мають 18 електронів на зовнішній оболонці.

Група спеціалістів з органометалічної хімії OIST під керівництвом доктора Сатоші Такебаяші шукала способи вийти за ці традиційні межі. Минулого року команда повідомила про незвичайні похідні фероцену, що містять 20 електронів. Під час спроб створити схожі 20-електронні комплекси з використанням рутенію, реакції несподівано дали звичайні 18-електронні сполуки, що й змусило вчених почати детальне розслідування.

Ми змогли ізолювати проміжну структуру з нашої реакції утворення рутенієвого комплексу та охарактеризувати її за допомогою монокристальної рентгенівської дифракції. На диво, ми виявили, що структура має подвійне ковзання кілець,
– прокоментував керівник групи органометалічної хімії OIST Сатоші Такебаяші.

Явище ковзання кілець виникає, коли менша кількість атомів у молекулярному кільці бере участь у зв'язку з атомом металу. У цій новій структурі тип зв'язку змінився: замість того, щоб залучати всі п'ять атомів вуглецю в кожному кільці, метал з'єднувався лише з одним атомом на кільце. Науковці стверджують, що це перший випадок, коли проміжний продукт сендвічевої структури з подвійним ковзанням кілець вдалося повністю охарактеризувати на молекулярному рівні.

Для стабільних 18-електронних металоценів множинне ковзання кілець є великою рідкістю, але в цьому випадку процесу посприяв так званий кліщовий ліганд. Ця молекула зв'язує метал через три різні атомні вузли, наче механічний затискач, що дозволило стабілізувати рідкісну форму. Дослідники використовували комплекс методів, включаючи ядерний магнітний резонанс та мас-спектрометрію. Обладнання, як-от спектрометр Bruker Avance III NEO 500, дозволило точно визначити хімічні зсуви та структуру.

Що це нам дає?

Відкриття має не лише теоретичне, а й велике практичне значення для створення "розумних" матеріалів. Коли молекулярна структура змінюється через ковзання кілець, змінюються і її властивості, що відкриває шлях до розробки матеріалів, які реагують на зовнішні подразники, наприклад, на механічну силу.

Останнім часом спостерігається поновлення інтересу до включення металоценів у матеріали для отримання різних властивостей. Розуміючи, як вони можуть реагувати та деформуватися, ми можемо проєктувати регульовані структури для використання в системах доставки ліків, каталізаторах, датчиках та інших сферах,
– додав Сатоші Такебаяші.

Такі матеріали в майбутньому можна буде налаштовувати для створення високочутливих хімічних датчиків або систем доставки ліків наступного покоління, де вивільнення препарату відбуватиметься у відповідь на конкретний сигнал.

Дослідження підтвердило, що структура з подвійним ковзанням кілець спочатку перетворюється на нестабільну форму з одинарним ковзанням, а вже потім стає кінцевим продуктом. Ці результати дають чітку картину послідовності подій, що відбуваються під час трансформації молекул, які є фундаментом сучасної хімії матеріалів.