Ученые Казанского федерального – о Нобелевской премии по химии
Нобелевскую премию 2025 года по химии получили ученые Сусуму Китагава (Япония), Ричард Робсон (Австралия) и Омар М. Яги (США) за разработку металлоорганических каркасов.
История открытия металлорганических каркасных структур (в английской аббревиатуре – MOF) началась в 90-е годы прошлого столетия. Впервые такие структуры удалось получить американскому ученому Омару Ягхи, который в 1995 году опубликовал статью «Гидротермальный синтез металлорганического каркаса, содержащего большие прямоугольные каналы».
«Особенностью таких соединений является то, что они представляют металлорганические координационные полимеры, в структуре которых ионы или кластеры металлов связаны органическими лигандами. В результате их кристаллизации из растворов образуются пористые кристаллы. Аналогами металлорганических каркасных структур являются природные или синтетические цеолиты или, например, активированный уголь. Такие материалы имеют поры разного диаметра и способны связывать различные молекулы. Металлорганические координационные полимеры можно собирать, как конструктор, подбирая нужный металл и органический лиганд. В результате реагенты, которые исследователь использует на молекулярном уровне, будут определять макроскопические параметры кристаллов», – ввел в курс дела директор Химического института имени А.М. Бутлерова Марат Зиганшин.
Доцент кафедры физической химии Рустэм Заиров пояснил, что уникальные свойства металлоорганических каркасных соединений обуславливаются их строением, поскольку в их составе имеются металлические строительные блоки и строительные блоки из органических хелатирующих лигандов. Благодаря комбинации этих двух строительных блоков достигается построение 2D- или 3D-структуры с соответствующим кристаллическим порядком, четко установленными расстояниями между ионами металла с определенными размерами пор. Именно это обуславливает те практические приложения, в которых металлоорганические каркасные соединения широко используются.
Среди основных областей применения ученый выделяет создание мембран, которые позволяют разделять, к примеру, газы или жидкости.
С помощью двух активных блоков, или тектонов металлорганического лиганда можно управлять размером пор, их регулярностью, способностью образовывать каналы, которые будут пропускать молекулы в газообразном или жидком состоянии строго определенного размера. При этом другие компоненты смеси разделения останутся по одну сторону мембран. На другую перейдет только целевой газ, который необходимо сепарировать. Таким образом можно достичь решения актуальной задачи по отделению бензола от циклогексана. К примеру, эта задача может быть решена в промышленности.
«Металлорганические каркасные соединения могут использоваться в катализе. Здесь поровое пространство может рассматриваться с точки зрения структурированного объема реактора, в котором происходят химические реакции. Что важно для катализа, помимо регулирования и управления размерами пор, в которых будет проходить реакция, – это возможность менять металлические узлы и, соответственно, управлять донорно-акцепторной способностью каркасных соединений и селективно катализировать ту или иную реакцию в поровом объеме металлорганического каркаса», – подчеркнул доцент Заиров.
Еще одной отличительной чертой металлоорганических каркасных соединений является крайне высокая удельная площадь поверхности. Это свойство лежит в основе, например, создания суперконденсаторов, поскольку для их разработки необходимо максимизировать удельную поверхность, на которой будет происходить накапливание заряда. Еще одним из интересных приложений таких соединений является сенсорика из-за их способности люминесцировать. Люминесценция зависит от лигандного окружения металлоцентра. Сенсорные свойства металлоорганических каркасных соединений будут зависеть, в том числе, от размера пор, в которые сможет проникать тот или иной аналит.
Как отметил профессор кафедры органической и медицинской химии Игорь Антипин, в России также активно занимаются созданием новых материалов с металлоорганическими каркасами.
Одна из ведущих школ по этому направлению работает в Казани – в Химическом институте КФУ и Институте органической и физической химии имени Арбузова. Научная группа член-корреспондента РАН И. Антипина является одним из лидеров в стране и в мире в области разработки синтетических методов целенаправленного супрамолекулярного синтеза MOF и пористых координационных «клеток» («капсул») – дискретных аналогов MOFs, на основе макроциклических соединений (тиа)каликс[4]аренов.
На базе созданных лигандов ученым удалось выявить основные фундаментальные закономерности образования MOFs и координационных клеток, используя в качестве строительных блоков (тиа)каликс[4]арены, предорганизованные в одной стереоизомерной форме 1,3-альтернат и конус, соответственно. Полученные молекулярные строительные блоки проявили способность самоорганизовываться в процессе координации с катионами 3d и 4f металлов, приводя к целенаправленному получению 0D-3D координационных соединений (металлокластеров, координационных клеток и MOFs), обладающих настраиваемыми пористостью, магнитными, люминесцентными и адсорбционными свойствами.
«Полученные результаты могут быть использованы для дальнейшего создания на их основе пористых материалов, способных разделять смеси различных промышленно важных газов, жидкостей, оптически активных соединений, применяемых в том числе в медицине, фото- и электрокатализаторов восстановления углекислого газа и воды с целью получения водородного топлива и углеводородов, что потенциально способно внести вклад в развитие экологически чистых технологий производства энергии», – обозначил важность вклада ученых профессор Антипин.
Текст и фото заимствованы у сайта пресс-службы КФУ.
