Светящийся псевдосэндвич — российские химики нашли новый класс химических соединений

Команда российских исследователей синтезировала новый класс комплексных соединений редкоземельных элементов. Полученные вещества хорошо растворяются в большинстве органических растворителей, в отличие от других соединений лантанидов. Их можно применять в органическом и металлоорганическом синтезе, а также при получении новых люминесцентных материалов. Исследование опубликовано в журнале Inorganic Chemistry.

Люминесцентные материалы — вещества, способные поглощать энергию от внешнего источника и испускать ее в форме видимого или невидимого инфракрасного свечения. Такие материалы применяют в люминесцентных термометрах, меняющих интенсивность или цвет свечения в зависимости от температуры. Их используют для светодиодов, излучающих свет при прохождении через них электрического тока, а также для меток, которые можно увидеть только с помощью специальных приборов и которые помогают опознать подлинную продукцию. Например, флуоресцентные метки на российских банкнотах не проявляются при естественном освещении, но светятся в ультрафиолетовом спектре.

Ученые продолжают искать новые методы получения люминесцентных материалов, которые будут дешевле и эффективнее существующих. Команда российких химиков под руководством Дмитрия Ройтерштейна обнаружила новый класс стабильных соединений лантанидов с люминесцентными свойствами. Комплексные соединения редкоземельных элементов с формулой LnCl₃L₂ назвали псевдосэндвичами.

«Термину “сэндвич” уже 70 лет, так называют соединения металла с двумя органическими лигандами. Металл — котлета, а сверху и снизу, как куски хлеба, два лиганда, образующих комплекс с центральным атомом. В нашем веществе между двумя кусками хлеба уже находится самодостаточное химическое соединение — хлорид лантанида, поэтому его мы назвали псевдосэндвичем», – говорит Дмитрий Ройтерштейн, один из авторов статьи, руководитель программы «Химия молекулярных систем и материалов» НИУ ВШЭ.

Для синтеза псевдосэндвичей ученые использовали обезвоженные хлориды лантанидов, к которым добавляли тетрагидрофуран. На следующем этапе добавляли доступное органическое соединение — шестичленный цикл с тремя атомами азота и тремя атомами углерода. Получившееся вещество растворяли в органических растворителях и выращивали на его основе кристаллы. Реакции проводили в боксе с инертной атмосферой — герметичной камере без влаги и кислорода, заполненной аргоном.

Ученые продемонстрировали, что метод работает для всего ряда редкоземельных элементов. Они получили 30 новых соединений с различными редкоземельными металлами и для 20 из них установили молекулярную структуру. Полученные кристаллы исследовали с помощью четырех методов. Один из них — рентгеноструктурный анализ, при котором исследуется, как рентгеновские лучи рассеиваются в кристаллической решетке вещества. На основании этих данных ученые рассчитывают расположение атомов и молекул в кристалле. По мнению авторов статьи, у полученных соединений нетипичная планарная тригональная структура фрагмента LnCl₃, при которой атомы расположены в одной плоскости и образуют треугольник с металлом в центре.

Определив структуру и строение соединений в твердой фазе, ученые исследовали, как они ведут себя в растворе. Растворимость — важное свойство для получения новых материалов в промышленности, поскольку они состоят из нескольких веществ, а смешивать жидкости удобнее. Также нанести раствор на поверхность принципиально проще.

Выяснилось, что полученные вещества хорошо растворимы в органических растворителях и люминесцируют в обоих состояниях, причем гораздо эффективнее, чем ожидали ученые. При этом они хорошо кристаллизуются и имеют постоянный состав.

Ученые готовят новое исследование в коллаборации с коллегами с химического и физического факультетов МГУ.