Команда российских исследователей синтезировала новый класс комплексных соединений редкоземельных элементов. Полученные вещества хорошо растворяются в большинстве органических растворителей, в отличие от других соединений лантанидов. Их можно применять в органическом и металлоорганическом синтезе, а также при получении новых люминесцентных материалов.
Фото бокса, в котором проводились эксперименты. Одна стена выполнена из стекла, остальные — из стали / © Пресс-служба НИУ ВШЭ
Исследование опубликовано в журнале Inorganic Chemistry. Люминесцентные материалы — вещества, способные поглощать энергию от внешнего источника и испускать ее в форме видимого или невидимого инфракрасного свечения. Такие материалы применяют в люминесцентных термометрах, меняющих интенсивность или цвет свечения в зависимости от температуры. Их используют для светодиодов, излучающих свет при прохождении через них электрического тока, а также для меток, которые можно увидеть только с помощью специальных приборов и которые помогают опознать подлинную продукцию. Например, флуоресцентные метки на российских банкнотах не проявляются при естественном освещении, но светятся в ультрафиолетовом спектре.
Ученые продолжают искать новые методы получения люминесцентных материалов, которые будут дешевле и эффективнее существующих. Команда исследователей с участием студентов факультета химии НИУ ВШЭ Светланы Дегтяревой, Даниила Бардонова и Анны Афанасьевой под руководством Дмитрия Ройтерштейна обнаружила новый класс стабильных соединений лантанидов с люминесцентными свойствами. Комплексные соединения редкоземельных элементов с формулой [LnCl3L2] назвали псевдосэндвичами.
«Термину “сэндвич” уже 70 лет, так называют соединения металла с двумя органическими лигандами. Металл — котлета, а сверху и снизу, как куски хлеба, два лиганда, образующих комплекс с центральным атомом. В нашем веществе между двумя кусками хлеба уже находится самодостаточное химическое соединение — хлорид лантанида, поэтому его мы назвали псевдосэндвичем», — рассказывает один из авторов статьи, руководитель программы «Химия молекулярных систем и материалов» Дмитрий Ройтерштейн.
Для синтеза псевдосэндвичей ученые использовали обезвоженные хлориды лантанидов, к которым добавляли тетрагидрофуран. На следующем этапе добавляли доступное органическое соединение — шестичленный цикл с тремя атомами азота и тремя атомами углерода. Получившееся вещество растворяли в органических растворителях и выращивали на его основе кристаллы. Реакции проводили в боксе с инертной атмосферой — герметичной камере без влаги и кислорода, заполненной аргоном.
Ученые продемонстрировали, что метод работает для всего ряда редкоземельных элементов. Они получили 30 новых соединений с различными редкоземельными металлами и для 20 из них установили молекулярную структуру. Полученные кристаллы исследовали с помощью четырех методов. Один из них — рентгеноструктурный анализ, при котором исследуется, как рентгеновские лучи рассеиваются в кристаллической решетке вещества. На основании этих данных ученые рассчитывают расположение атомов и молекул в кристалле. По мнению авторов статьи, у полученных соединений нетипичная планарная тригональная структура фрагмента LnCl3, при которой атомы расположены в одной плоскости и образуют треугольник с металлом в центре.
«Атомы в молекулах соединяются по определенным правилам, и есть множество примеров того, как это устроено, счет идет на десятки тысяч структур. Такого расположения атомов в соединении лантанидов мы ранее не встречали», — рассказывает Светлана Дегтярева.
Определив структуру и строение соединений в твердой фазе, ученые исследовали, как они ведут себя в растворе. Растворимость — важное свойство для получения новых материалов в промышленности, поскольку они состоят из нескольких веществ, а смешивать жидкости удобнее. Также нанести раствор на поверхность принципиально проще.
Выяснилось, что полученные вещества хорошо растворимы в органических растворителях и люминесцируют в обоих состояниях, причем гораздо эффективнее, чем ожидали ученые. При этом они хорошо кристаллизуются и имеют постоянный состав.
«Мы синтезировали наименее чувствительные к воздуху и самые стабильные соединения из всех, с которыми работали. Полученные соединения перспективно использовать для изготовления материалов, потому что они хорошо растворяются в углеводородах и люминесцируют», — отмечает Даниил Бардонов.
Ученые готовят новое исследование в коллаборации с коллегами с химического и физического факультетов МГУ. «Совместно с коллегами из МГУ мы изучаем, могут ли полученные комплексные соединения редкоземельных элементов стать перспективными молекулярными магнитами. Пока исследование на начальном этапе, но положительные результаты уже есть», — рассказывает Анна Афанасьева. Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда.
