Химики впервые перестроили атомные связи в одной молекуле
Если бы химики строили автомобили, они бы заполнили завод автомобильными деталями, подожгли бы его и просеяли из пепла куски, которые теперь отдаленно напоминали автомобиль.
Когда вы имеете дело с автомобильными деталями размером с атом, это вполне разумный процесс. Тем не менее, химики ищут способы сократить количество отходов и сделать реакции более точными.
Химическая инженерия сделала шаг вперед благодаря исследователям из Университета Сантьяго-де-Компостела в Испании, Университета Регенсбурга в Германии, и IBM Research Europe, где одна молекула подвергается серии трансформаций с помощью небольшого толчка напряжения.
Обычно химики добиваются точности реакций, настраивая такие параметры, как pH, добавляя или удаляя доступные доноры протонов, чтобы управлять тем, как молекулы могут обмениваться или обмениваться электронами для образования своих связей.
«Однако с помощью этих средств условия реакции изменяются до таких до такой степени, что основные механизмы, регулирующие селективность, часто остаются неуловимыми», — отмечают исследователи в своем отчете, опубликованном в журнале Science.
Другими словами, сложность сил при работе, толкая и тяня через большой органический мол ecule может затруднить точное измерение того, что происходит на каждой связи.
Команда начала с вещества под названием 5,6,11,12-тетрахлортетрацен (с формула C18H8Cl4) — молекула на основе углерода, которая выглядит как ряд из четырех сотовых ячеек, окруженных четырьмя атомами хлора, парящими вокруг, как голодные пчелы.
Приклеивание тонкого слоя материала к холодный, покрытый солью кусок меди, исследователи прогнали хлорных пчел, оставив горстку возбудимых атомов углерода, удерживающих неспаренные электроны в ряде родственных структур.
Одиночная молекула, преобразованная в изомеры (Alabugin & Hu, Science, 2022)
Два из этих электронов в некоторых структурах счастливо воссоединились друг с другом, изменив общую форму молекулы в виде сот. Вторая пара также стремилась соединиться не только друг с другом, но и с любым другим доступным электроном, который мог жужжать на их пути.
Обычно эта шаткая структура просуществовала бы недолго, так как оставшиеся электроны также соединялись друг с другом. Но исследователи обнаружили, что эта конкретная система не была обычной.
С легким толчком напряжения от электрошокера размером с атом они показали, что могут заставить одну молекулу соединить эту вторую пару электронов таким образом, что четыре клетки сместятся в сторону так называемого изогнутого алкина.
При чуть менее сильном встряхивании эти электроны объединялись в пары по-другому, искажая структура совершенно по-другому в то, что известно как циклобутадиеновое кольцо.
Каждый продукт был преобразован обратно в исходное состояние с помощью импульса электронов, готовый снова перевернуться в любой момент подсказки.
Заставляя одну молекулу искривляться в разные формы или изомеры, используя точные напряжения и токи, исследователи могли получить представление о поведении ее электронов, а также о стабильности и предпочтительности конфигурации органических соединений.
Отсюда можно было бы сократить поиск катализаторов, которые могли бы подтолкнуть крупномасштабную реакцию бесчисленных молекул в одном направлении, сделав реакцию более специфичной .
В предыдущих исследованиях использовались аналогичные методы для визуализации изменения конфигурации отдельных молекул и даже для управления отдельными этапами химической реакции. Теперь мы разрабатываем новые методы изменения самих связей молекул для образования изомеров, которые обычно было бы не так просто поменять местами.
Подобные исследования не только помогают сделать химию более точным, он предоставляет инженерам новые точные инструменты для производства машин в наномасштабе, деформируя углеродные каркасы в экзотические формы, которые были бы невозможны с помощью обычной химии.
Это исследование было опубликовано в Наука.
