“Что касается многих комплексов переходных металлов, то они наиболее стабильны, когда окружены 18 формальными валентными электронами. Это химическое эмпирическое правило, на котором основаны многие ключевые открытия в катализе и материаловедении”, - сказал доктор Сатоши Такебаяси, ведущий автор статьи, опубликованной в Nature Communications в сотрудничестве с учеными из Германии, России и Японии. Ферроцен - классический пример, воплощающий это правило. “Сейчас мы впервые показали, что возможно синтезировать стабильное 20-электронное производное ферроцена”, - добавил он.

Этот прорыв улучшает наше понимание структуры и стабильности металлоценов, класса соединений, известных своей характерной “сэндвич-структурой”, в которой атом металла находится между двумя органическими кольцами. 

Восстанавливаем наше концептуальное понимание

Впервые синтезированный в 1951 году, ферроцен произвел революцию в химии благодаря своей неожиданной стабильности и уникальной структуре, в конечном итоге принеся своим первооткрывателям Нобелевскую премию по химии 1973 года. Во многих отношениях ферроцен открыл новую главу в нашем понимании металлоорганических связей и положил начало современной области металлоорганической химии, которая продолжает вдохновлять поколения ученых на изучение металлоорганических соединений. 

Это новое исследование строится на этом фундаменте. Разработав новую систему лигандов, команда смогла стабилизировать производное ферроцена с помощью 20 валентных электронов - координационная химия, которая ранее считалась невероятной. “Более того, дополнительные два валентных электрона индуцировали нетрадиционное окислительно-восстановительное свойство, которое имеет потенциал для будущих применений”, - отметил доктор Такебаяши. Это важно, поскольку, несмотря на то, что ферроцен уже используется в реакциях, связанных с переносом электронов, известных как окислительно-восстановительные реакции, он традиционно был ограничен узким диапазоном степеней окисления. Обеспечивая доступ к новым степеням окисления за счет образования связи Fe–N в этом производном, ферроцен расширяет возможности получения или потери электронов. В результате он может стать еще более полезным в качестве катализатора или функционального материала в самых разных областях, от накопления энергии до химического производства. 

Понимание того, как нарушать и перестраивать правила химической стабильности, позволяет исследователям создавать молекулы с индивидуальными свойствами. Эти идеи могли бы вдохновить на новые исследования, направленные на развитие устойчивой химии, включая разработку экологически чистых катализаторов и материалов следующего поколения. 

Платформа для будущих инноваций

Производные ферроцена уже нашли применение в различных технологиях, от солнечных батарей и фармацевтических препаратов до медицинских устройств и передовых катализаторов. Расширяя концептуальный инструментарий, доступный химикам, этот последний прорыв может помочь развить и разнообразить эти области применения, одновременно вдохновляя на совершенно новые. 

Группа металлоорганической химии OIST фокусируется на раскрытии фундаментальных принципов, которые управляют металлоорганическими взаимодействиями, и применении их к задачам реального мира. Команда проявляет особый интерес к нетрадиционным соединениям, которые бросают вызов стандартным химическим правилам, таким как 20-электронное производное ферроцена, о котором сообщалось в этом исследовании. 

Эта работа была поддержана Японским обществом содействия науке (JSPS), Программой JSPS по формированию ведущих исследовательских университетов Японии, секциями инструментального анализа и инженерии Высшего университета Окинавского института науки и технологий (OIST) и стипендией Бурибуши OIST.