Сотрудники Санкт-Петербургского государственного университета разработали и описали соединения металлов, которые по своей структуре напоминают «обратные бутерброды». С их помощью можно будет создать новые материалы с управляемыми свойствами. Работа проходила в рамках проекта, поддержанного грантом Президентской программы исследовательских проектов Российского научного фонда, а ее результаты опубликованы в журнале Angewandte Chemie.

В большинстве соединений металлов их атомы несут на себе положительный заряд. Типичный пример — поваренная соль NaCl, в которой натрий — элемент металлической природы — положительный, в то время как отрицательный заряд сосредоточен на хлоре. Кристаллы соли, которую можно найти на любой кухне, существуют именно благодаря притяжению разноименно заряженных натрия и хлора.

Во второй половине двадцатого века английские химики Джон Уилкинсон и Эмиль Фишер получили Нобелевскую премию по химии за изучение так называемых

«сэндвичевых» соединений, к которым относится, например, ферроцен. Его молекулы состоят из двух компонентов. Первый — плоские отрицательно заряженные органические фрагменты, состоящие из углерода и водорода. Второй компонент — ион металла железа с положительным зарядом — зажат между органическими фрагментами, как начинка между двумя кусками хлеба.

Хотя все металлы в большинстве своих соединений обладают положительным зарядом, есть исключения: например, платина и палладий в некоторых своих соединениях ведут себя как отрицательно заряженные центры. Ранее авторы статьи в ряде работ показали, что этот отрицательный заряд в металлах может притягиваться к положительному заряду на галогенах — элементах 7-ой группы периодической таблицы.

Исследователи решили использовать подобную систему в своей работе, но с некоторыми модификациями: они заменили фрагмент с положительным зарядом на галогене на плоскую систему, где этот положительный заряд распределен уже на атомах углерода.

«Нам удалось собрать системы, где уже отрицательный заряд на металле притягивается к положительному заряду на органических плоских фрагментах. Из-за обратного расположения зарядов и было решено назвать эти системы «обратными сэндвичами»», — рассказал один из авторов статьи Даниил Иванов, ассистент кафедры физической органической химии Института химии СПбГУ.

Чтобы получить такую структуру, ученые взяли соединения платины и палладия и добавили к ним органические плоские молекулы. Далее авторы медленно упаривали получившиеся растворы, чтобы избавиться от растворителя и повысить концентрацию веществ. Обратные сэндвичи собирались сами во время упаривания в образующейся твердой фазе.

Твердая фаза из раствора выстраивалась в кристаллы, поэтому, чтобы определить их структуру, авторы использовали рентгеноструктурный анализ, позволяющий «сфотографировать» относительное расположение атомов и молекул в твердой фазе. Полученные структурные данные авторы дополнили теоретическими расчетами.

«Мы собираемся продолжить изучать взаимодействия с участием атомов металлов, на которых сосредоточен отрицательный заряд. В частности, многие соединения металлов обладают полезными фотофизическими свойствами, например умением светиться — люминесценцией. Мы хотим понять, как включение соединения металла в состав обратных сэндвичей влияет на такие свойства», — сказал Даниил Иванов.

Авторы также добавляют, что сейчас изучают свойства соединений металлов в свободном виде и в составе обратных сэндвичей. Если в будущем ученые обнаружат у них полезные свойства, то смогут использовать их для создания новых материалов и для управления этими свойствами. Например, если в двух световых устройствах использовать одно и то же соединение металла, но в свободном виде и в составе обратного сэндвича, есть шанс, что цвет люминесценции будет варьироваться.

Работа проходила в сотрудничестве с учеными из Института физической химии и электрохимии РАН.