Для полупроводников, сенсоров и доставки лекарств: химики придумали, как создавать материалы с нужными свойствами

Ученые установили, как металлы влияют на строение химических систем. Они создали новые соединения, используя комплексы меди, и обнаружили, что выбор металла влияет на структуру этих соединений. Результаты исследований могут быть применимы в химической промышленности и позволят создавать материалы с нужными свойствами.

Научную работу выполнил коллектив Института общей и неорганической химии имени Н. С. Курнакова РАН, факультета химии Высшей школы экономики, МГУ имени М. В. Ломоносова, НИЦ «Курчатовский институт» и Института элементоорганических соединений имени А. Н. Несмеянова РАН.

В начале XXI века, благодаря развитию вычислительных мощностей и накопленным структурным данным о координационных соединениях, возникла ретикулярная химия. Внимание в ней уделяется особенностям строения соединений, которые остаются неизменными, даже если их состав меняется. Цель ретикулярной химии — создание новых соединений, опираясь на связи между возможным координационным окружением атома металла, типами связывания лигандов и строением образующихся соединений. Лиганды — это атом, молекула или ион, которые связываются с металлическими атомами, образуя координационные соединения. Они определяют структуру и свойства этих соединений.

Московские ученые продемонстрировали принципы создания новых химических соединений при помощи ретикулярного подхода. Они показали это на примере смешанно-лигандных комплексов меди.

«Мы занимаемся синтезом функциональных материалов на основе карбоксилатов металлов, в том числе разрабатываем подходы к новым магнитным и сорбционным материалам. Для наших целей нужны пористые каркасные или слоистые координационные соединения, желательно, способные обратимо изменять свое строение и свойства под воздействием внешних факторов. Ранее в своей работе мы уже использовали ретикулярный подход к синтезу смешанно-лигандных комплексов цинка(II), в ходе которого были получены непористые каркасные соединения, способные участвовать в твердофазных реакциях фотоциклоприсоединения. Поскольку мы были заинтересованы в получении пористых соединений, мы решили проверить, может ли замена катионов цинка на другие атомы металла в аналогичной системе привести к заметным структурным изменениям», — отметила старший научный сотрудник лаборатории химии координационных полиядерных соединений ИОНХ РАН, кандидат химических наук Екатерина Зорина-Тихонова.

О влиянии атома металла на структуру образующихся соединений рассказала старший научный сотрудник лаборатории рентгеноструктурных исследований ИНЭОС РАН, кандидат химических наук Анна Вологжанина.

«Применение структурных корреляций для предсказания строения координационных соединений пока что не получило широкого распространения и находится на стадии проверки точности предсказаний и поиска возможных невыявленных факторов, влияющих на состав и строение комплексов. Большинство работ в этой области представлено двухкомпонентными кристаллами, и рассматриваемая нами четырехкомпонентная система катион металла: дикарбоксилат-анион : нейтральный лиганд : растворитель является одной из самых сложных среди них. Мы показали, что при выборе в качестве катиона меди(II) наиболее вероятно образование слоистых соединений с топологией плоско-квадратной сетки, а среди каркасных соединений самыми ожидаемыми являются мотивы сульфида кадмия и дуальной кварцу сетки, каждая из которых в своей основе имеет четырехкоординированный центр. Этот результат резко отличается от наиболее вероятных структур в аналогичной системе, содержащей катионы цинка(II), для которой более ожидаемы каркасные соединения. Данный пример наглядно демонстрирует влияние природы атома металла на строение образующегося соединения», — рассказала Анна Вологжанина.

В результате исследования были синтезированы восемь новых комплексов, изучено их строение, спектральные и магнитные свойства. Шесть из них реализуют одну из предсказанных наиболее вероятных структур: четыре соединения имеют топологию плоско-квадратной сетки (sql на рисунке), одно — близкой к ней слоистой структуры bey, и одно — сульфида кадмия (cds). Такие слоистые соединения также могут вступать в твердофазные реакции фотоциклоприсоединения, что было продемонстрировано на примере одного из комплексов. Они перспективны для использования в гибридных слоистых материалах, поскольку могут быть модифицированы не только с помощью пост-синтетических модификаций или твердофазных реакций при облучении, но и за счет введения новых молекул в межслоевое пространство.  

Работа выполнена при поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации. Результаты работы опубликованы в одном из международных журналов.