Search

Новая двумерная структура из фрагментов молекул металлоценов

Коллектив ученых из Института биохимической физики им. Н.М. Эмануэля РАН (ИБХФ РАН) в составе Захара Попова, Екатерины Сухановой и Дмитрия Квашнина предложил новую двумерную металлорганическую структуру из фрагментов молекул металлоценов. Статья об исследовании «Metallocene inspired 2D metal intercalated carbon allotropes: Stability and properties via DFT calculations» опубликована в журнале Carbon.

 

Металлорганические соединения привлекают к себе внимание исследователей благодаря уникальным физико-химическим свойствам. Такие соединения находят свое применение как в качестве реагентов, так и в качестве катализаторов различных реакций. Одним из наиболее известных металлорганических соединений является молекулы металлоценов, которые относятся к классу сендвичевых металлорганических соединений. Типичными представителями металлоценов являются молекулы ферроцена и кобальтоцена. Ферроцены были получены в 1951 году, когда Т. Кили и П. Посон, провели реакцию C5H5MgBr c хлоридом железа FeCl3 с целью синтезировать новый углеводород — дициклопентадиенил. Неожиданно они получили совершенно новое, исключительно устойчивое жёлто-оранжевое кристаллическое соединение, содержащее железо. Потребовалось около года, чтобы понять, структуру полученного вещества. Было обнаружено, что атом железа расположен посередине между двумя симметричными пятичленными кольцами C5H5. Пятичленные кольца в молекуле свободно вращаются вокруг оси, соединяющей центры колец. Такой тип структуры получил название «сэндвичевый». Из-за сходства реакционной способности с бензолом новое соединение было названо «ферроцен» (звуковая аналогия очевидна в английском языке: benzene — ferrocene). Структура ферроцена была установлена в 1952 году Р. Вудвордом и Дж. Уилкинсоном на основании его реакционной способности и независимо от них — Э. Фишером на основании рентгеноструктурных данных.

Несмотря на то, что молекулы ферроценов были не первыми открытыми металлорганическими молекулами, именно их открытие привело к бурному развитию химии металлорганических соединений как отдельной области химии. За данное открытие Уилкинсон и Фишер были удостоены нобелевской премией в 1973 году «За их новаторскую работу, выполненную независимо, по химии металлоорганических, так называемых сэндвич-соединений».

Молекулы ферроцена могут использоваться в нефтяной промышленности в качестве антидетонатора, а также находят применение в качестве сенсоров, в качестве добавок к новым материалам, в качестве катализаторов и в фармацевтике. Особенно следует отметить тот факт, что молекулы металлоценов, и, в частности, ферроценов, используются в качестве катализаторов для синтеза углеродных наноструктур, например углеродных нанотрубок или графеновых нанолент.

«В нашей работе мы предложили новые сендвичевые двумерные металлоцено-подобные структуры, которые получили названия t-MCp2 и m-MCp2 и при помощи компьютерного моделирования показали, что эти структуры будут не только проявлять интересные свойства, но и демонстрировать стабильность даже при нагревании до 900 градусов цельсия» - пояснил старший научный сотрудник ИБХФ РАН к.ф.-м.н. Захар Попов.

Расчет электронной структуры показал, что железосодержащие структуры проявляют полупроводниковые свойства, а кобальтсодержащих структур проявляют свойства полуметаллического ферромагнетика.

«Полуметаллические ферромагнетики характеризуются тем, что на уровне Ферми разрешённые состояния существуют только для электронов с определенным направлением спина и могут найти свое применение в качестве спинового поляризатора» - добавила младший научный сотрудник ИБХФ РАН Екатерина Суханова.

Исследование оптических свойств новых структур показало появление пиков в УФ области и в видимом диапазоне света по сравнению с чистыми углеродными структурами. Это указывает на возможность применения таких соединений в фотоиндуцированных каталитических реакциях, поскольку в рассмотренных структурах атом металла в решетке углерода может изменять свою степень окисления, что особенно важно для данных реакций.

«Полученные результаты указывают на то, что в области материаловедения двумерных металл-органических наноструктур еще много белых пятен и мы находимся у истоков множества интересных открытий в этой области» - заключил старший научный сотрудник ИБХФ РАН д.ф.-м.н. Дмитрий Квашнин.
 

С работой можно ознакомиться по ссылкам:

https://authors.elsevier.com/c/1diaq1zUAOO0Q

https://doi.org/10.1016/j.carbon.2021.08.074

0 views