Международная группа исследователей, в которую входили специалисты лаборатории термохимии химического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова, установила особенности молекулярного и электронного строения двух представителей малоизученного класса геодезических полиаренов — индаценопицена и коранулена — с применением методов квантово-механического моделирования и экспериментальных методик. Результаты работы опубликованы в журнале Organometallics.
Речь идет о редком виде непланарных полиароматических углеводородов — органических веществ, углеродный каркас которых состоит из сочленённых шестичленных и пятичленных циклов. Наиболее известный в этом ряду — фуллерен, который был открыт еще в 1985 году и представляет собой аллотропную модификацию углерода, молекулярное строение которой выглядит как выпуклый замкнутый многогранник, напоминающий футбольный мяч.
В последние же годы активно исследуются чашеобразные «сородичи» фуллерена — коранулен, диинденохризен, суманен, гемифуллерен и др. Благодаря особенностям строения каркаса каждый из них характеризуется необычными химическими и электронными свойствами, не свойственные другим полициклическим углеводородам.
Новое исследование, в частности, позволило выявить влияние структуры на электронные свойства индаценопицена: ученые увидели, что он может восстанавливаться — то есть захватывать дополнительные электроны. Причем этот процесс протекает легче, чем в случае коранулена, что свидетельствует о росте электроноакцепторных свойств полиарена и открывает возможность его использования в органической электронике.
Реакции индаценопицена с щелочными металлами показали, что в процессе восстановления он склонен образовывать с катионами металла так называемые сэндвич-комплексы, в которых катион металла оказывается заключен между двумя молекулами полиарена.
В экспериментах с рубидием и цезием удалось вырастить монокристаллы подобных комплексов и установить их строение методом рентгеноструктурного анализа. Выяснилось, что в случае рубидия образуются тетрамерные комплексы, в которых катионы металла закрепляются на вогнутой и выпуклой поверхностях чашеобразного полиена, а в случае цезия такие комплексы образуют 1D-полимерную цепь. Химики полагают, что эти особенности могут быть обусловлены размерами ионов и стерическими факторами.
В ходе работы использовались современные методы квантово-механического моделирования молекулярного и электронного строения, а также экспериментальные методики, которые, в частности, помогли ученым установить особенности молекулярного и электронного строения индаценопицена в нейтральном и ионизированном состояниях.
«Выявленные электроноакцепторные свойства индаценопиценов и устойчивость их анионов позволяют рассматривать данные соединения в качестве перспективных акцепторных материалов с электронной проводимостью для органической электроники и, в частности, для создания полимерных фотовольтаических устройств», — сказал Алексей Рыбальченко, научный сотрудник лаборатории термохимии МГУ имени М.В. Ломоносова, один из авторов работы.
Как пояснил Алексей Рыбальченко, геодезические полиарены могут быть использованы в качестве молекулярных затравок для контролируемого роста одностенных углеродных нанотрубок, электронные свойства которых будут предопределены строением исходного полиарена. Разработка подобной технологии позволит масштабировать и удешевить производство одностенных углеродных нанотрубок с заданными полупроводниковыми характеристиками, что крайне важно для решения прикладных задач, связанных с созданием высокопроизводительных электронных устройств на основе углерода.
Геодезические полиарены могут быть использованы в качестве строительных блоков для получения новых материалов с электронным типом проводимости, перспективных для решения задач органической электроники, в частности, для создания тонкопленочных полевых транзисторов и более эффективных фотовольтаических устройств. Малоисследованным и крайне интересным с прикладной точки зрения представляется использование геодезических полиаренов в качестве лигандов переходных металлов для создания новых катализаторов.
В ближайшее время ученые планируют изучить о описать поведение новых материалов на основе индаценопицена и родственных геодезических полиаренов в приложении к технологиям органической электроники и фотовольтаики.
Читайте также на портале Научная Россия о том, что российские химики научились определять степени окисления урана в сложных соединениях.
[Публикация подготовлена Центром популяризации научных знаний МГУ им. М.В. Ломоносова]
