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
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.