Хіміки навчилися керувати швидкістю гетеролітичного розриву молекули водню

Вчені з США синтезували комплексне з'єднання, за допомогою якого можна керувати швидкістю зворотного гетеролітичного розриву молекули водню. Такий біфукціональний комплекс на основі молібдену дозволяє змінювати швидкості реакції на чотири порядки. Робота опублікована в.

Водень - найпоширеніший елемент у Всесвіті. Елементарний водень являє собою стійку двохатомну молекулу. Для того, щоб таку молекулу розірвати, потрібно докласти досить велику енергію - близько ста кілокалорій на моль. При цьому розрив може відбуватися за двома різними механізмами. Якщо реакція йде по гомолітичному механізму, то в результаті розриву утворюються два однакових атома водню. У разі гетеролітичного розриву обидва електрони, які брали участь в освіті зв'язку, забирає собі один водень. При цьому відбувається утворення протона H + і гідрид-аніону ^H-.

Оскільки енергія, необхідна для розриву, досить велика, то і керувати такою реакцією непросто. Всі попередні спроби зробити каталізатор для такої реакції призводили до того, що утворилися в результаті іони водню або занадто сильно зв'язувалися з каталізатором, або, навпаки, зв'язок був такий слабкий, що водень швидко повертався у свій початковий стан.

У своїй роботі вчені з США розглянули кілька комплексів на основі молібдену з різними лігандами і показали, що такі комплекси можна використовувати для гетеролітичного розриву молекули водню. Навколо іона молібдену, який знаходиться в центрі комплексу, дві позиції займали атоми фосфору. Якщо додати в таку систему молекулу водню, то це призводить до утворення циклічної структури, в яку, крім атомів водню, входять атом молібдену, два атоми фосфору і атом азоту.

У такій структурі відбувається перерозподіл електронної щільності всередині молекули водню, в результаті чого катіон водню виявляється пов'язаний з азотом, а другий водень, отримуючи зайвий електрон, утворює зв'язок з іоном молібдену в центрі комплексу. Стан водню хіміки підтверджували спектроскопією ядерного магнітного резонансу.

Крім того, швидкість розриву молекули водню вдається варіювати, змінюючи ліганди і, відповідно, швидкість електронних обмінів між двома атомами водню. При температурі 25 градусів за Цельсієм, змінюючи кислотність лігандів в молекулі, хімікам вдалося змінювати швидкість на чотири порядку: від 10³ до 10⁷ секунд^-1. При цьому за допомогою такого комплексу можна не тільки керувати швидкістю реакції, а й робити її зворотною.

Вчені зазначають, що знайдена структура каталізатора дозволяє досить тонко керувати електронною системою молекули водню. Такі умови дозволяють оцінити термодинамічні та кінетичні закони для управління хімічним зв'язком між атомами водню, які надалі допоможуть розробити більш ефективні каталізатори не тільки для цієї реакції, але і для інших перетворень за участю водню.

Якщо утворюється в результаті гетеролітичного розриву молекули водню протон - одна з найпростіших частинок, що часто зустрічаються, яка є показником кислотності середовища, то гідрид-аніон - частинка більш незвичайна. Її використовують, наприклад, для отримання супероснувань - речовин з дуже високою спорідненістю до протонів. А іноді вдається отримувати і цілі аніонні кластери з декількох атомів водню.