Чем окружить лантаноиды

Органические лиганды позволяют создавать материалы с неожиданными свойствами

Российско-итальянская группа ученых подготовила обзор перспективных материалов, которые в химическом сотрудничестве с веществами из группы лантаноидов могут стать основой для сенсоров, магнитов, катализаторов и т. д. К практическому применению этих знаний еще только предстоит приступить.

Фото: Анатолий Жданов, Коммерсантъ

Фото: Анатолий Жданов, Коммерсантъ

Проделав путь в несколько столетий, химики в настоящее время чаще занимаются прикладными исследованиями, чем фундаментальными. Одно из таких важнейших прикладных направлений представляет собой материаловедение — наука о свойствах и способах получения разнообразных материалов, применение которых варьируется от микроэлектроники до биопротезирования, от космических технологий до строительства.

Чем сложнее задача, тем сложнее оказывается путь к подходящим материалам и технологиям. Наверное, именно поэтому для создания новых материалов все чаще применяют те элементы Периодической системы, которые вынесены в ее «подвал»,— лантаноиды и актиноиды. В отличие от последних, все лантаноиды, кроме одного элемента — прометия,— практически не радиоактивны и не токсичны, а их полезные на практике свойства окружают нас буквально повсюду. В любом мобильном телефоне используется сразу несколько из этих элементов, в наушниках используются неодимовые или самариевые магниты, европий и тербий применяются в энергосберегающих лампочках, в зубных пломбах нашел применение фторид иттербия, магнитную томографию проводят с использованием препаратов гадолиния, а для защиты банкнот применяют соединения европия.

Для каждого из возможных применений атомы лантаноидов нуждаются в определенном химическом окружении, обеспечивающем раскрытие их возможностей. Органические молекулы, составляющие такое окружение, обычно называют лигандами. Существует набор требований к лигандам для создания люминесцентных, сенсорных, магнитных материалов, а также катализаторов, устройств разделения газов и др.

Члены нашей научной группы работают в нескольких организациях: ВШЭ, МГУ им. М. В. Ломоносова, ФИАН им. П. Н. Лебедева. Работу мы выпустили в коллаборации с коллегами из университета старинного итальянского городка Камерино, с которыми мы сотрудничаем более 20 лет. Сейчас мы в основном разрабатываем люминесцентные материалы, которые могут применяться в создании OLED-дисплеев, для сенсорики, то есть детектирования различных молекул и частиц, например воды в авиационном керосине или тяжелых металлов в воде. Наше внимание привлек особый класс лигандов — азолкарбоновые кислоты, так как по ряду особенностей своей структуры они идеально подходят для решения наших задач. Структура этих соединений очень простая — это пятичленное ароматическое углеродное кольцо, в котором вместо двух, трех или даже четырех атомов углерода находится атом азота. К этому кольцу могут быть различным образом присоединены карбоксильные группы — СООН, делающие данные соединения кислотами. Такое сочетание — небольшое ароматическое ядро, гетероатомы азота и карбоксильные группы — удовлетворяет тем требованиям, которые обычно предъявляются к люминесцентным, магнитным и каталитическим материалам. В молекуле лиганда могут быть и другие заместители, что позволяет проследить свойства серии похожих лигандов и понять, какие заместители лучше для решения той или иной задачи.

Графический реферат статьи показывает основные области применения азолкарбоксилатов РЗЭ: катализаторы, магнитные материалы, люминофоры, сенсоры, материалы для сорбции и разделения газов

Графический реферат статьи показывает основные области применения азолкарбоксилатов РЗЭ: катализаторы, магнитные материалы, люминофоры, сенсоры, материалы для сорбции и разделения газов

Фото: sciencedirect.com

Графический реферат статьи показывает основные области применения азолкарбоксилатов РЗЭ: катализаторы, магнитные материалы, люминофоры, сенсоры, материалы для сорбции и разделения газов

Фото: sciencedirect.com

Так как данные лиганды для нас новые, потребовалось проработать всю доступную литературу, чтобы знать, чего достигли наши предшественники и коллеги, какие комплексы лантаноидов с этими лигандами были изучены к настоящему моменту. И несмотря на удивительную химическую простоту данных соединений, работ оказалось опубликовано не так много — около двух сотен, и никакой систематизации их до нас не проводили. Так, из вполне утилитарной цели и родилась данная публикация: нам было нужно знать, какие соединения получены, как меняются их свойства при определенных изменениях в структуре, насколько удачен был опыт их применения в материалах.

В обзоре мы отмечаем, что, несмотря на хорошие перспективы, для создания светодиодов эти соединения до сих пор почти не тестировались. Зато есть работы, где комплексы лантаноидов с некоторыми из описанных лигандов выступают в роли сенсоров на канцерогенные ионы хромата и бихромата, взрывчатые нитросоединения, токсичные кадмий и свинец. Есть любопытные статьи, в которых на базе комплексов диспрозия созданы удивительные материалы — молекулярные магнетики, а также несколько работ, где эти комплексы успешно применены в качестве катализаторов.

Однако мы увидели, что очень много работ, в которых только описывается синтез соединений, обычно изучается их структура методом рентгеноструктурного анализа, но никак не изучаются их свойства и потенциальные применения. И мы сделали попытку выработать критерии для поиска перспективных материалов среди этих уже описанных соединений.

Некоторые из наших предположений мы проверим в самое ближайшее время.

Использованы материалы статьи Lanthanide azolecarboxylate compounds: Structure, luminescent properties and applications; Yury A. Belousov, Andrei A. Drozdov, Ilya V. Taydakov, Fabio Marchetti, Riccardo Pettinari, Claudio Pettinari; журнал Coordination Chemistry Reviews, октябрь 2021 г.

Юрий Белоусов, базовая кафедра неорганической химии и материаловедения Института общей и неорганической химии им. Н. С. Курнакова РАН, НИУ ВШЭ

Загрузка новости...
Загрузка новости...
Загрузка новости...
Загрузка новости...
Загрузка новости...
Загрузка новости...
Загрузка новости...
Загрузка новости...
Загрузка новости...
Загрузка новости...
Загрузка новости...