Ученые добились эффекта домино при окислительно-восстановительных реакциях

Первый пример реакции домино в области окислительно-восстановительной химии получили исследователи из Университета Хоккайдо, 9 января сообщает пресс-служба вуза.

Реакцией домино в химии называется процесс, когда трансформация одной химической группы последовательно вызывает реакцию другой присоединенной группы или другой молекулы и так далее. Это приводит к быстрому эффекту, напоминающему падение вертикально поставленных в ряд костяшек домино.

Такой эффект впервые был получен в окислительно-восстановительной химии учеными из Университета Хоккайдо. Подробности процесса исследователи описали в статье «Домино-окислительно-восстановительная реакция, индуцированная электрохимически вызванным конформационным изменением», опубликованной в журнале Angewandte Chemie.

Термин «окислительно-восстановительная реакция» складывается из понятий «восстановление», обозначающее прирост электронов, и «окисление», обозначающее потерю электронов. То есть окислительно-восстановительные реакции представляют собой процессы переноса электронов.

Юсуке Исигаки, профессор с кафедры химии факультета естественных наук Университета Хоккайдо пояснил:

«Проблема с получением реакций домино в окислительно-восстановительных процессах заключается в том, что перенос электронов, особенно многоэлектронный перенос, приводит к образованию электрически заряженных частиц, электростатические взаимодействия которых могут препятствовать дальнейшим изменениям».

Для преодоления этого препятствия исследователи создали состоящую из двух частей молекулу, которая претерпевает значительные структурные изменения, когда одна часть переходит из электрически нейтрального (восстановленного) состояния в положительно заряженное (окисленное). Это изменение в свою очередь приводит к химическому эффекту, воздействующему на другую часть молекулы, что повышает вероятность ее собственного окисления.

Молекула, сконструированная учеными, представляет собой два относительно крупных окислительно-восстановительных звена, соединенных неплоской гибкой связью, образованной атомами серы.

Когда одно из спаренных звеньев теряет электроны (окисляется), оно приобретает два положительных заряда, которые действуют как спусковой механизм, заставляющий другую часть молекулы закручиваться вокруг ядра. Изменение состояния электронов в этой скрученной форме по сравнению с исходной свернутой формой затем способствует протеканию процесса окисления в соседней группе, создавая эффект домино.

Запуск реакции домино в этом случае может быть инициирован повышением температуры, что обеспечивает средство контроля этой реакции. При этом, хотя этот эффект до сих пор был продемонстрирован в молекуле, состоящей только из двух частей, команда исследователей предполагает, что в конечном итоге его можно будет использовать для передачи волнообразных окислительно-восстановительных преобразований в гораздо более крупных молекулах, где многие звенья «домино» связаны друг с другом.

Это открытие, вероятно, будет востребовано лишь в далеком будущем, но очевидно, что явно существуют некоторые возможности его применения. Так, электрические и структурные преобразования, проходящие по молекулярным цепочкам, могут, например, стать движущимися частями химических вычислительных систем и датчиков на наноуровне.

Возможной областью применения этого эффекта могут стать новые аккумуляторные системы, необходимые для осуществления начавшегося в мире перехода к технологиям использования возобновляемых источников электроэнергии.

«Управление, обеспечиваемое нагревом и охлаждением, может быть использовано во многих областях для создания новых материалов с переключаемыми электронными свойствами, особенно тех, которые связаны с многоэлектронным переносом», — указал Исигаки.

«Было очень сложно, но в то же время очень приятно продемонстрировать то, чего раньше никто не достигал, а теперь мы надеемся перейти к более крупным и сложным системам, включающим увеличенный перенос электронов», — заключил ученый.