Ученые из МФТИ помогли коллегам из Германии, Нидерландов и Китая расшифровать «томографию с контрастом» для синтезированных ими молекул. В результате ученые убедились в верной структуре полученных потенциальных катализаторов. Работа опубликована в журнале Inorganic Chemistry
Обычно в природе железо проявляет степень окисления +2 или +3. Это значит, что соседние атомы в молекуле «перетянули» два или три его электрона. Например, ржавчина — смесь железа со степенями окисления +2 и +3. Но для химиков интересно получить соединения, в которых железо может иметь степень окисления +4. В таком состоянии железу не хватает целых четырех электронов, поэтому оно обладает повышенной реакционной активностью. Такое соединение может стать, например, потенциальным катализатором.
Когда химики получают новое вещество, очень важно строго доказать с помощью физико-химических методов, что получили именно то, что планировали. Международная группа получила соединения железа с необычной степенью окисления +4 и обратилась к исследователям из МФТИ, чтобы те помогли доказать, что молекула имеет именно то строение, которое предсказывал расчет химиков.
Группа исследователей из МФТИ под руководством Валентина Новикова обладает экспертизой по парамагнитной спектроскопии ядерного магнитного резонанса (ЯМР). При применении этого метода молекулы помещают в сильное магнитное поле и смотрят, как энергетические уровни ядер, обладающих спином, — внутренним магнитным моментом (например, водорода или углерода-13) — расщепляются и проявляют себя в итоговом энергетическом спектре. В парамагнитных веществах — тех, в которых есть атомы с неспаренными электронами, — эти атомы действуют как встроенные в молекулы дополнительные магниты, которые усложняют получаемые при спектроскопии ЯМР данные.
«Парамагнитная спектроскопия ЯМР — это как контрастная магнитно-резонансная томография. Только вместо контрастирующего вещества выступает атом с неспаренными электронами. Данные получаются более сложные, но благодаря взаимодействию ядер и электронов мы можем точно определять внутреннее строение таких молекул», — комментирует Валентин Новиков, доцент кафедры химической физики функциональных материалов МФТИ.
Чтобы разгадать сложный спектр ЯМР новых парамагнитных молекул, исследователи из МФТИ просили коллег-экспериментаторов собрать побольше данных: при разных температурах и при замещении атомов водорода дейтерием — его близнецом, уровни которого по-другому расщепляются магнитным полем. Затем под эти данные подбирались параметры спин-гамильтониана — математического выражения, описывающего взаимодействие молекулы с магнитным полем. Эти параметры как раз описывают конфигурацию молекулы и распределение в ней плотности неспаренных электронов. Таким образом, с помощью парамагнитной спектроскопии ЯМР можно очень точно доказать, что получили именно комплекс железа (IV) со скорпионатными лигандами (TSMP2−).
Помимо парамагнитной спектроскопии ЯМР, химики также проверяли полученные молекулы с помощью циклической вольтаметрии, спектроскопии Мессбауэра, рентгеновской спектроскопии и других методов.
«Коллеги использовали разные методы, но все еще были не уверены в том, что получили нужные молекулы. Мы вместе обработали спектры и помогли им доказать, что полученные молекулы — это именно нужные координационные комплексы железа», — говорит Валентин Новиков.
Чтобы разрабатывать новые катализаторы, лекарства, молекулярные магниты, рентгено-контрастные вещества и другие перспективные молекулы, необходимо уметь синтезировать разные молекулы. А современные точные химико-физические методы исследования помогают химикам «видеть», что они синтезируют.
