Российские химики создали светящийся псевдосэндвич из редкоземельных металлов

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.

Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда (РНФ). Проект 22-13-00312.

Люминесцентные материалы — вещества, способные поглощать энергию от внешнего источника и испускать её 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.

Учёные продолжают искать новые методы получения люминесцентных материалов, которые будут дешевле и эффективнее существующих. Команда исследователей с участием студентов факультета химии НИУ ВШЭ Светланы Дегтяревой, Даниила Бардонова и Анны Афанасьевой 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.

Дмитрий Ройтерштейн
Один из авторов статьи, руководитель программы «Химия молекулярных систем и материалов»

Для синтеза псевдосэндвичей учёные 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.

Учёные 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 четырёх методов. Один из них — рентгеноструктурный анализ, при котором исследуется, как рентгеновские лучи рассеиваются в кристаллической решетке вещества. На основании этих данных учёные 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.

«Атомы в молекулах соединяются по определенным правилам, и есть множество примеров того, как это устроено, счет идет на десятки тысяч структур. Такого расположения атомов в соединении лантанидов мы ранее не встречали», — рассказывает Светлана Дегтярева.

Определив структуру и строение соединений в твердой фазе, учёные 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, причём гораздо эффективнее, чем ожидали учёные. Вдобавок они хорошо кристаллизуются и имеют постоянный состав.

«Мы синтезировали наименее чувствительные к воздуху и самые стабильные соединения из всех, с которыми работали. Полученные соединения перспективно использовать для изготовления материалов, потому что они хорошо растворяются в углеводородах и люминесцируют», — отмечает Даниил Бардонов.

Ученые готовят новое исследование в коллаборации с коллегами с химического и физического факультетов МГУ им. М.В. Ломоносова. «Совместно с коллегами из МГУ мы изучаем, могут ли полученные комплексные соединения редкоземельных элементов стать перспективными молекулярными магнитами. Пока исследование на начальном этапе, но положительные результаты уже есть», — рассказывает Анна Афанасьева.
IQ

21 марта