Химия

Впервые в мире: химики перестроили атомные связи в молекуле

Международная группа под руководством исследователей из исследовательской лаборатории IBM в Цюрихе, Швейцария, разработала метод управления селективностью химических реакций. Их подход основан на обратимом и избирательном образовании и диссоциации атомных связей, вызываемых наконечником туннельного микроскопа. Этот прорыв может не только позволить инициировать химические реакции с беспрецедентным пространственным и временным разрешением, но и открыть совершенно новые реакции.

Чтобы создать сложные молекулы или молекулярные машины, набор атомов должен быть собран вместе и соединен точным образом. Это предполагает смешивание реагентов, возможно, стимулирование реакции с помощью катализатора, а затем извлечение продуктов с различной степенью эффективности. Что если бы можно было по желанию управлять простыми молекулами и химическими связями? Это конечная цель проекта MolDAM (Single Molecular Devices by Atom Manipulation), запущенного IBM Research два года назад.

Если говорить конкретно, то это предполагает создание "индивидуальной" материи из отдельных атомов путем управления химическими реакциями с помощью наконечника сканирующего зондирующего микроскопа. Используя сверхбыстрые световые импульсы, ученые наблюдали, как образуются связи и как атомы перестраиваются во время химической реакции. Теперь, приложив определенное напряжение к атомным связям, доктор Флориан Альбрехт из IBM Research Europe и его соавторы смогли создать три различных продукта из одной и той же молекулы.

Три новые молекулы, созданные из одной

Селективность и выход химических реакций можно улучшить, регулируя определенные параметры (температура, pH и т.д.) или регулируя доступные доноры протонов — таким образом влияя на то, как атомы обмениваются электронами для образования связей. "Однако с помощью этих средств условия реакции изменяются настолько, что основные механизмы, определяющие селективность, часто остаются неуловимыми", — отмечают исследователи в своем исследовании.

Поэтому они решили контролировать образование атомных связей совершенно другим способом. Сначала они синтезировали молекулу 5,6,11,12-тетрахлортетрацена (C18H8Cl4) - молекулу, состоящую из ряда четырех углеродных колец, к которым присоединены четыре атома хлора - и затем абсорбировали ее на тонкий слой соли, выращенной на меди. Используя импульсы напряжения с наконечника сканирующего туннельного микроскопа (СТМ), они удалили атомы хлора, тем самым разорвав четыре связи C-Cl и центральную связь C-C.

Молекулярная перестройка, вызванная импульсами напряжения, создаваемыми наконечником сканирующего туннельного микроскопа.

В результате этого вмешательства образуется промежуточная молекула, содержащая дирадикал — центральное кольцо из 10 атомов углерода, шесть из которых имеют неспаренный электрон (и поэтому способны образовывать новые связи). Применив относительно высокое напряжение, они заставили образоваться новую связь С-С, что привело к образованию нового кольца, известного как изогнутый алкин; исходная молекула затем превратилась в новую молекулу, состоящую из четырех колец.

Обратите внимание, что система устроена так, что оставшиеся неспаренные электроны не могут соединиться для создания другой связи C-C, как это обычно происходит. С другой стороны, применение более низкого напряжения к промежуточной молекуле привело к образованию внутри нее нового четырехуглеродного кольца, названного циклобутадиеном. Получение этих различных углеродных сетей было бы невозможно с помощью традиционной химии.

Таким образом, команда превратила исходную молекулу в три различных продукта. "Возможность взаимодействия с различным набором партнеров делает эту полиморфную молекулярную систему швейцарским армейским ножом с тремя различными и полезными химическими инструментами", — пишут Игорь Алабугин и Чаовэй Ху в сопроводительной статье. Каждый из образующихся продуктов способен выполнять различные химические функции, например, служить местом связывания для переходных металлов или участвовать в окислительно-восстановительных реакциях. Все три вида могут даже использоваться в качестве логических ворот в молекулярной электронике.

Основным преимуществом метода является то, что эти реакции могут быть обратимы с помощью импульсов противоположной полярности, поскольку каждый продукт может быть возвращен в исходное состояние с помощью нового электронного импульса. Заставляя одну молекулу принимать различные формы (или изомеры) путем применения точных напряжений и токов, исследователи могут непосредственно наблюдать за поведением электронов и определять оптимальные конфигурации органических соединений в соответствии с желаемым результатом.

Следует отметить, что этот эксперимент проводился в криогенных условиях (при температуре -268 °C), температуре, при которой атомы и молекулы практически неподвижны. Воспроизведение метода при температуре, близкой к комнатной, может оказаться более сложным. Кроме того, некоторые атомные связи гораздо труднее разорвать.

Однако эта работа открывает путь к более точному контролю химических реакций — по крайней мере, в некоторых случаях - и проливает свет на механизмы, лежащие в основе окислительно-восстановительных реакций. Это может, например, привести к разработке катализаторов, способных направлять реакцию в определенном направлении. "Индуцированные наконечником селективные реакции с участием одной молекулы улучшают наше понимание окислительно-восстановительной химии и могут привести к созданию новых молекулярных машин", — заключают исследователи.

Подписывайтесь на нас
Back to top button