иcтoчник: www.nkj.ru
Химические структуры, которые поначалу считались нереальными, потом не имеющими практического применения, в итоге оказались полезными в самых разных областях: от нефтегазовой промышленности до медицины.
Нобелевские лауреаты по химии 2025 года: Ричард Робсон (1), Сусуму Китагава (2) и Омар Ягхи (3). Источник: Paul Burston/University of Melbourne (1), japan-acad.go.jp (2),(3).
Одни химики любят смешивать разноцветные растворы (так нам обычно показывают в кино), а другие химики любят собирать макеты молекул из шариков и палочек. Второе уже ближе к реальности, хотя подобные химические конструкторы собирают в основном школьники и студенты на занятиях, а не учёные в лабораториях. Впрочем, иногда и из простого желания собрать из палочек какую-нибудь красивую, но не очень реальную химическую структуру, получается в итоге новое направление в химии и целая Нобелевская премия!
В этом году её дали троим исследователям: англичанину Ричарду Робсону, японцу Сусуме Китагаве и американцу иорданского происхождения Омару Ягхи за ´разработку металл-органических каркасных структур´. Звучит, как будто они разработали какую-то новую инженерно-архитектурную форму для строительства, но тем не менее это про самую настоящую химию. Хотя и без строительных аналогий нам здесь не обойтись.
Представим, что мы хотим построить химический дом из атомов. В распоряжении у нас добрая половина таблицы Менделеева, из которой мы будем брать элементы и строить из них красивые кристаллы идеально правильной формы. Атомы будут словно кирпичики, мы их плотно пристыкуем друг к другу и получим разные твёрдые вещества. Назовём эту область атомарного строительства кристаллохимией. Но вот подвесной мост из кирпичей не построишь. Тут нам понадобятся длинные, прочные и одновременно гибкие молекулы, цепочки атомов. И это будет уже химия полимеров. А если мы хотим построить какую-нибудь необычную ажурную башню? Из кирпичей - не вариант, слишком тяжело. Из канатов тоже как-то не очень получится. Но если взять прочные балки, пусть даже они будут деревянными, и затем их скреплять железными болтами и гайками, то можно возвести очень интересные, лёгкие и прочные конструкции. Примерно так и устроены металл-органические каркасные структуры, в которых ´балки´ из органических молекул соединяют атомы металлов. Сокращённо их называют МОК или МОФ (от английского metal organic framework).
Но одно дело нафантазировать молекулярные структуры, пусть даже они не будут противоречить химическим принципам и законам, и совсем другое - сделать их по-настоящему в химической лаборатории. Но, как мы знаем, это удалось. В самом конце 1980-х Ричарду Робсону удалось ´собрать´ необычную объёмную структуру, в которой органические молекулы были соединены между собой атомами меди. Получившийся ´каркас´ напоминал по структуре алмаз, но в отличие от этой формы углерода был крайне непрочным и разрушался от ´малейшего ветерка´. Однако сам принцип сборки оказался настолько удачным, что эту идею - соединять органические молекулы атомами металлов, чтобы получались объёмные структуры с большими полостями, подхватили другие учёные и принялись её развивать.
Сусуму Китагава в Японии вместе с коллегами исследовал возможности по синтезу пористых материалов, и в 1997 году у них получилось создать металл-органическую каркасную структуру, которая оказалась намного устойчивее всех предыдущих. Именно это открытие перевело МОК из разряда химической ´экзотики´ в перспективный класс химических соединений.
Структура металл-органического каркаса MOF-5. Желтый шар - это свободный объём поры внутри каркаса. Источник:.
Аналогичными работами занимался Омар Ягхи в Университете штата Аризона в США. В его лаборатории появился на свет MOF-5 - металл-органический каркас с очень большим объёмом внутренних пор и очень хорошей стабильностью. Почему же всем так были интересны пористые вещества? Всё дело в том, что химикам интересны не сама пустота внутри вещества, а то, чем её можно заполнить. И в этом плане МОКи оказались чрезвычайно полезными ´контейнерами´. В них можно класть и вынимать молекулы газов, например, запасать водород. Их можно использовать как фильтры для разделения или выделения веществ, как контейнеры для лекарств, как база для катализаторов и много чего ещё. А за счёт использования разных органических молекул и разных металлов, МОКи можно индивидуально ´настраивать´ под самые разные задачи. Так что теперь их счёт уже перевалил за пару десятков тысяч и число таких структур и их применений будет только расти. Особенно, когда в деле поиска новых каркасных структур учёным на помощь приходит искусственный интеллект.
Мы попросили прокомментировать Нобелевскую премию по химии академика Игоря Федюшкина, директора Института металлоорганической химии им. Г.А. Разуваева РАН:
Металл-органические каркасы - это супрамолекулярные образования. В них каждый молекулярный фрагмент связан с соседними, давая двух- и трёхмерные структуры, размер которых ограничен размерами кристалла, который они образуют. Есть выражение: ´Природа не терпит пустоты´ - это не про металл-органические каркасы. Как раз наоборот, из-за структурных факторов в таких системах возникают пустоты и полости. Это и обуславливает большие перспективы применения таких соединений, например, для разделения близких по объему и геометрии молекул, вроде бензола и циклогексана. Выдающиеся работы в этой области выполнены под руководством академика Владимира Петровича Федина в новосибирском Академгородке.
В Институте металлоорганической химии в Нижнем Новгороде тоже исследуются металл-органические каркасы. Так, несколько лет назад была решена проблема их контролируемой сборки. Образующиеся трёхмерные структуры, как правило, нерастворимы и не могут быть обратно ´разобраны на молекулы´, что иногда требуется и происходит, например, во время перекристаллизации с целью очистки от примесей или получения более крупных кристаллов. Супрамолекулярная сборка в наших системах контролируется переносом электрона между двумя разными реагентами. Когда электрон переносится с молекулы донора на молекулу акцептора получаются другие по свойствам молекулы, которые и собираются в бесконечные одно- или двумерные сетки. Они, как и все МОК нерастворимы. Однако можно подобрать растворитель, в котором полученные каркасы немного растворимы. При их растворении и сольватации происходит обратный перенос электрона и образуются исходные реагенты.
В работах академика Владимира Петровича Федина получены фундаментальные результаты, имеющие перспективы широкого практического применения. Например, полученные в его группе МОК способны эффективно разделять смесь этан/этилен, последний производится в промышленности в огромном количестве и его очистка от примеси этана важная прикладная задача. При этом можно разделять и, как кажется, неразделяемые смеси, например, лёгких углеводородов: метана, этана и пропана, в чём также нуждается нефте- и газодобывающая промышленность. На основе МОК академиком Фединым созданы протон-проводящие материалы, которые могут найти применение при создании химических источников тока. Большие перспективы имеют МОК для применения в катализе реакций органического синтеза, в качестве резервуаров для хранения газов, например, СО2, а также в качестве сенсоров и даже элементов защиты от подделок.
Автор: Максим Абаев, Наталия Лескова