Больше века в химии металлоорганических соединений главным ориентиром было правило 18 электронов. Но теперь ученые из Окинавского института науки и технологий (OIST) создали соединение, которое его нарушает.

Они синтезировали стабильный 20-электронный аналог ферроцена — железосодержащего комплекса, открывающего новые горизонты в химии.

Для многих комплексов переходных металлов стабильность достигается, когда вокруг атома 18 валентных электронов. Это правило лежит в основе ключевых открытий в катализе и материаловедении, — говорит доктор Сатоши Такебаяси, ведущий автор статьи в Nature Communications.

Ферроцен — классический пример, подчиняющийся этому правилу.

Но мы впервые показали, что можно получить его стабильный 20-электронный вариант, — добавляет он.

Ферроцен, синтезированный в 1951 году, перевернул представления о химической стабильности. Его «сэндвичевая» структура — металл между двумя органическими кольцами — принесла создателям Нобелевскую премию и стала основой современной металлоорганической химии.

Новое исследование идет дальше. Ученые разработали систему лигандов, которая стабилизировала 20-электронный ферроцен — раньше такое считалось маловероятным.

Лиганды — молекулы или ионы, которые «цепляются» к атому металла, как руки к центральной фигуре в хороводе. Они определяют, сколько электронов будет у металла и как он поведет себя в реакциях.

Два дополнительных электрона придали соединению необычные окислительно-восстановительные свойства, которые могут быть полезны на практике, — поясняет Такебаяси.

Обычно ферроцен участвует в реакциях с переносом электронов, но в узком диапазоне степеней окисления. Теперь, благодаря образованию связи Fe–N, этот диапазон расширился.

Где это пригодится

• Катализаторы для «зеленой» химии.
• Материалы для аккумуляторов.
• Фармацевтика и медицинские устройства.

Ферроцен уже используют в солнечных батареях и лекарствах. Новое открытие может привести к еще более неожиданным применениям.

Исследование ломает стереотипы о пределах стабильности металлоорганических соединений. Практическая ценность — в управлении окислительно-восстановительными свойствами. Например:

• Катализ: более гибкие катализаторы для синтеза сложных молекул.
• Энергетика: материалы для батарей с улучшенной электронной проводимостью.
• Медицина: новые препараты на основе металлоорганических комплексов.

Главное — теперь можно проектировать молекулы, нарушающие «правила», но работающие эффективнее стандартных.

20-электронный ферроцен стабилен только в специфических условиях — с жестко подобранными лигандами. В «обычной» химической среде он может терять стабильность. Кроме того, пока неясно, насколько легко масштабировать его синтез для промышленности.

Ранее ученые применили ферроцен как один из трех компонентов потивораковой терапии.