Сотрудники Института органической химии имени Н.Д. Зелинского РАН (Москва) разработали экологически безопасный способ «разборки» полимера диоксида германия, благодаря чему они получили стабильные и безопасные соединения германия, необходимые для разработки молекулярных машин, катализаторов и источников тока. Работа проходила в рамках проекта, поддерживаемого грантом Президентской программ исследовательских проектов Российского научного фонда, а ее результаты опубликованы в журнале Dalton Transactions.

Все молекулы в живой природе построены из соединений углерода. Кремний и германий — его ближайшие аналоги, однако, более тяжелые. Они «связывают» органическую химию и материаловедение, так как обладают свойствами и углерода, и металлов. Эти элементы используются в разработке новых катализаторов, источников тока, молекулярных мускулов и машин. Молекулярные машины и мускулы — это молекулы или молекулярные комплексы, которые совершают полезную работу за счет механических движений. Это может быть молекулярная пружина или даже лифт.

Производственные источники германия и кремния — их оксиды: оксид германия получают из цинковой и медной руды, а кремния — из обычного песка. Сложность заключается в том, что в оксидах атомы элементов плотно упакованы в полимер. Чтобы его «разобрать» и «вытащить» оттуда германий и кремний, необходимо применять технологии, в которых используются галогениды — очень ядовитые вещества. Поэтому полученные в ходе этой «разборки» соединения опасны и нестабильны при хранении, а без них получить чистые кремний и германий невозможно.

Авторы статьи решили найти экологически безопасный способ «разобрать» полимер. Для этого они использовали органические соединения, катехолы. Это бензольное кольцо с «клешнями» в виде ОН, способных легко вступать в реакцию. Такое строение позволяет веществам химически «переварить» даже песок. Они содержатся, например, в зеленом чае и даже в человеке, так как гормон адреналин входит в группу катехолов.

Картинка: уставший ослик вынужден таскать диокс...

Картинка: уставший ослик вынужден таскать диоксид германия на химический завод. Источник: Михаил Сыроешкин

«Мы хотели получить в результате разборки полимера экологически безопасное органическое производное германия, способное восстанавливаться электрохимически — это ключ к его превращению в практически полезные соединения. Для этого мало создать органическое производное с катехолом, надо, чтобы в продукте были части, которые стаскивали бы электронное «одеяло» с атома германия и делали его открытым для реагентов, которые превратят его в полезные соединения. Поэтому мы дополнительно наполнили продукт электронодефицитными производными пиридина — слабого основания, которое представляет собой шестичленный гетероцикл с одним атомом азота», — рассказал один из авторов статьи Михаил Сыроешкин, старший научный сотрудник Института органической химии имени Н.Д. Зелинского РАН.

Новый подход позволяет получить очень стабильные и безопасные при хранении соединения. Молекулы по строению напоминают колесо ветряной мельницы, где атом германия выступает осью, которую приводят в движение две молекулы катехола и две — производных пиридина. Полученные соединения могут заменить хлорид германия, который сегодня используют в разных областях — от получения новых наноматериалов для источников тока до молекулярных машин.

Картинка 2: рентгеноструктурный анализ получивш...

Картинка 2: рентгеноструктурный анализ получившихся соединений. Источник: Михаил Сыроешкин

«Несмотря на достаточно амбициозные задачи проекта, результат получился еще более широким по своим перспективам, поскольку мы без использования галогенов получили органические производные, в которых германий максимально активирован для самых разных направлений последующей его переработки», — заключил ученый.

Картинка: получившееся соединение. Источник: Ми...

Картинка: получившееся соединение. Источник: Михаил Сыроешкин

Работа проходила в сотрудничестве с учеными из Института общей и неорганической химии имени Н.С. Курнакова (Москва), Южного федерального университета (Ростов-на-Дону) и Университета Ренна во Франции.