Архитектура в кристалле: супрамолекулярная сборка иодониевых солей позволит создавать новые материалы

Химики Томского политехнического университета исследовали, как двухзарядные анионы влияют на структурные особенности диарилиодониевых солей. В перспективе эти данные помогут создавать более сложные супрамолекулярные архитектуры на основе иодониевых солей, что может стать основой для синтеза новых материалов. Потенциальное применение таких материалов — разделения газов и очистка воды от вредных веществ. Исследование проводится в Международной научно-исследовательской лаборатории «Невалентные взаимодействия в химии материалов», созданной в рамках мегагранта (Проект № 075-15-2021-585) и при поддержке Российского научного фонда (Проект № 21-73-00148). Результаты работы ученых опубликованы в журнале Crystal Growth & Design.

Диарилиодониевые соли — один из классов соединений гипервалентного йода. На сегодняшний день ТПУ является ведущим российским центром исследований в области химии гипервалентного йода. Иодониевые соли — важный «кирпичик» в построении соединений, они выступают незаменимыми реагентами в синтезе сложных природных соединений и применяются для функционализации органических молекул.

«Соединение иодониевых солей состоит из двух частей — положительно заряженного катиона и отрицательно заряженного иона. Каждый иодониевый катион может образовывать две галогенные связи с двумя анионами, что и является невалентным взаимодействием. Это основа супрамолекулярной архитектуры. За счет образования нековалентных связей можно строить те или иные структуры, используя катионы и анионы как блоки для построения», — поясняет доцент Исследовательской школы химических и биомедицинских технологий ТПУ Наталья Солдатова.

Супрамолекулярная архитектура может содержать от одной до бесконечного множества иодониевых солей. Архитектуры бывают нескольких типов. 1D-архитектура — это условная бесконечная цепочка, состоящая из иодониевых катионов и анионов, которые связываются между собой. 2D-архитектура — сообразный лист из молекул, когда катионы «выстраиваются» в слой. Также иодониевые соли за счет галогенных связей могут образовывать структуру в трехмерном пространстве. Она бесконечна во всех направлениях и заканчивается только там, где заканчивается сам кристалл.

Исследователи ТПУ совместно с коллегами из Санкт-Петербургского государственного университета исследуют влияние анионов и катионов в иодониевых солях на закономерности построения тех или иных структур.

«Для создания новых материалов на базе иодониевых солей необходима устойчивая структура. Важно, чтобы она была прочной не только в одной плоскости, но и в трехмерном пространстве. Простые диарилиодониевые соли способны образовывать 0D-архитектуру, в редких случаях — 1D-архитектуру. Такие кластеры и цепочки не могут создавать устойчивую структуру. В данном исследовании мы изучаем, как от простых 0D-структур перейти к 1D и 2D-структурам за счет использования двухзарядных анионов. И в данном случае именно анионы влияют на форму архитектуры. В дальнейшем мы планируем использовать полученные результаты как основу для создания 3D-структур», — рассказывает Наталья Солдатова.

В стандартном варианте катион, взаимодействуя с двумя анионами, образует кластер. В случае с двухзарядным анионом можно связывать несколько кластеров между собой за счет того, что анион содержит два заряженных фрагмента, то есть влиять на форму структуры. Она в свою очередь влияет на свойства вещества и, как следствие, материала.

Изучение фундаментальных аспектов супрамолекулярной сборки в иодониевых солях поможет ученым понять закономерности формирования сложных структур, которые могут стать основной для синтеза новых материалов, применяемых для сорбции и катализа. Понимание закономерностей процесса даст возможность сознательно влиять на архитектуру солей и, таким образом, в перспективе создавать материалы с заданными свойствами.