Исследователи из США разработали кристаллы, которые могут менять свой состав, сохраняя при этом строение твердой кристаллической решетки. Кристаллы состоят из комплекса иридия, связанного с азотом, однако в кристаллическую решетку могут диффундировать другие газы (водород или аммиак) и вступать в химические реакции.

Результаты рентгеноструктурного анализа –
каналы в структуре кристаллической решетки могут
пропускать молекулы газа. (Рисунок из Nature
, DOI: 10.1038/nature09085)

Кристаллы могут представлять собой новые платформы для осуществления химических реакций; кристаллы могут катализировать реакцию гидрирования этилена, причем, поскольку большие по размеру молекулы пропена не могут проникнуть в пустоты кристаллической решетки, чем достигается высокая селективность реакции. Исследователи надеются, что сходные принципы могут применяться для разработки других кристаллов, способных к селективному катализу других важных химических превращений будущего.

Женг Хуанг (Zheng Huang) из Университета Северной Каролины отмечает, что только что полученные кристаллы, содержавшие комплекс иридия и азот были ярко-красными, однако после 12 часов стояния на воздухе они сменили цвет с красного на темно-зеленый; анализ показал, что за 12 часов кислород в составе кристаллического соединения полностью замещается кислородом.

Было обнаружено, что кристаллы реагируют с водородом, образуя комплекс Ir-H₂-H₂, а с этиленом – образуя Ir-С₂-H₄. Это означает, что внутри кристалла можно осуществлять каталитическое гидрирование этилена до этана.

Секрет материала заключается в составе кристаллов, в которых ионы иридия окружены объемными лигандами пинцерного типа. Лиганды обуславливают высокую реакционную способность иридия (его способности образовывать комплексы с азотом), а также обеспечивают наличие пустот в кристаллической решетке.

Пустоты в кристаллической решетке действуют как миниатюрные туннели, позволяющие небольшим молекулам газов перемещаться по кристаллической структуре. Достаточно широкие для молекул моноксида углерода и этилена туннели тем не менее, слишком узкие для молекул диоксида углерода и пропена.

Тимоти Уоррен (Timothy Warren) из Университета Джорджтауна отмечает, что новый катализатор сочетает в себе черты гомогенного (строго определенные каталитические активные центры) и гетерогенного (легкость отделения) катализатора.

Малькольм Грин (Malcolm Green) из Университета Оксфорда отмечает, что результаты работы наглядно демонстрируют возможность создания высокоселективных катализаторов с помощью точно подобранных кристаллических решеток, отмечая, однако, что создание кристаллов со строго определенным строением для решения строго определенной практической задачи будет непростым делом.

Грин отмечает, что, несмотря на то, что изменения селективности кристаллической системы можно добиться простой модификацией комплексов, образующих кристалл, заранее практически невозможно предсказать способ упаковки таких модифицированных молекул в кристаллическую решетку. Также, добавляет он, сложнее будет заставить кристаллические решетки селективно различать относительно близкие по размеру соединения, важные в качестве промышленного сырья – например относительное различие размеров пентенов и гексенов не столь значительно, как отличие этилена от пропилена.

Источник: Nature, DOI: 10.1038/nature09085