Органические молекулы являются строительными блоками для материалов, которые мы используем каждый день - от нашей одежды и кофейных чашек до экранов наших телефонов. Контроль реакций этих органических молекул является ключом к разработке материалов с функциональными свойствами.

Реакции, нацеленные на углерод-водородные связи (C-H), уже давно представляют научный интерес, учитывая, что почти все органические молекулы содержат эти связи. Под руководством ФЛИТА из Университета Монаш новое исследование (опубликовано на этой неделе в Журнал Американского химического общества) обнаружил, что отдельные атомы золота могут обеспечить низкоэнергетический путь для реакций, которые могут быть нацелены на конкретные связи C-H.

"Святой Грааль" химических реакций

"Одной из целей FLEET является разработка материалов, электронные свойства которых могут быть использованы в низкоэнергетических технологиях", - говорит автор-корреспондент A/ Prof Агустин Шиффрин.

Органические молекулы могут служить полезными строительными блоками для настраиваемого конструирования этих материалов при условии, что реакции между молекулами можно контролировать в атомном масштабе.

Углерод-водородные связи являются одними из наиболее распространенных связей в органических молекулах. Из-за этого способность воздействовать на специфические связи C-H в химических реакциях была описана некоторыми исследователями как "святой грааль". К сожалению, на пути реакций активации C-H стоят две большие проблемы:

1. Трудность нацеливания только на одну конкретную связь для реакции (плохая селективность).
2. Для разрыва этих связей требуется много энергии (высокая энергия активации).

Все Это Блестит?

Исследователи Монаша обнаружили, что одиночные атомы золота может обеспечить путь к активации C-H.

Исследователи объединили небольшое количество отдельных атомов золота с органическими молекулами 9,10-дицианоантрацена (DCA) на атомарно плоской поверхности серебра Ag (111).

"Мы использовали экспериментальные методы атомного масштаба - сканирующую туннельную микроскопию и атомно-силовую микроскопию - для получения изображений и характеристики образцов", - объясняет ведущий автор Бенджамин Лоу, аспирант университета Монаш. "Эти методы выявили необычные ковалентные связи между атомами углерода молекул DCA и атомами золота".

Образование таких ковалентных связей предполагало, что сначала должны были быть разорваны специфические C-H-связи. Работая с коллегами-теоретиками из Чешской академии наук, исследователи обнаружили путь реакции, который предположил, что металлорганическое промежуточное состояние, образованное отдельными атомами золота с парами молекул DCA, может способствовать протеканию такой реакции.

Важно отметить, что раскрытый путь реакции может объяснить только разрыв C-H одной конкретной C-H связи. Исследователи обнаружили резкое уменьшение энергии, необходимой для разрыва этой специфической связи C-H (активационный барьер), что позволяет проводить реакцию при комнатной температуре.

"Это исследование непосредственно затрагивает две самые большие проблемы, а именно плохую селективность и высокий активационный барьер, которые ограничивают специфическую диссоциацию связей C-H в органических молекулах", - объясняет главный исследователь FLEET Агустин Шиффрин. "Наш подход потенциально может открыть двери для синтеза новых органических и металлоорганических наноматериалов со свойствами, полезными для электроники, оптоэлектроники, сенсорики, катализа и т.д.".

Что дальше?

Учитывая широкий интерес к реакциям органических молекул в различных областях, эта многообещающая реакция имеет множество потенциальных применений, таких как изготовление полимеров и модификация фармацевтических продуктов.

Исследователи из FLEET надеются использовать эту селективную и эффективную реакцию для получения атомарно тонких материалов с желаемыми электронными свойствами.

Исследование проводилось школой физики и астрономии Университета Монаш с соавторами из Института физики Академии наук Чешской Республики и Университета Палацкого, Чешская Республика.

Помимо поддержки Австралийского исследовательского совета (Центр передового опыта и будущих программ стипендий), авторы выражают признательность Чешской академии наук и Чешскому научному фонду (Praemium Academie), а также Министерству образования, молодежи и спорта Чешской Республики (e-Infrastruktura CZ).

Бенджамин Лоу провел исследование в группе профессора Агустина Шиффрина в Университете Монаш, которая исследует электронные свойства органических и металлоорганических материалов в атомном масштабе.

Используя самые современные методы синтеза наноматериалов и сканирующей зондовой микроскопии в Университете Монаша, группа работает над синтезом новых материалов, которые могут быть использованы в электронных устройствах со сверхнизкой энергией.