Суператом

Молекулярная структура полиметаллического кластера, состоящего из 55 атомов. Вид со стороны оси пятикратного вращения. Атомы водорода и молекулы бензола не отображены.

В лаборатории Технического университета Мюнхена получили самый большой суператом, состоящий из 43 атомов меди и 12 атомов алюминия. Вообще, это кластер, и рентгеноструктурный анализ показал, что металлы в нем расположены в узлах кристаллической решетки, однако с точки зрения электронного строения все 55 атомов, образующих кластер, ведут себя как один суператом. Он интересен не только с точки зрения электронного строения, но и как основа для разработки новых катализаторов («Angew. Chem.» Int. Ed., 2018, 7; doi: 10.1002/anie.201806039).

Катализаторы обычно довольно дороги. Так, огромное количество процессов, от синтеза лекарственных препаратов до окисления угарного газа в выхлопных газах автомобилей, ускоряются платиной, которая дороже золота. Другие металлы, применяющиеся в катализе — рутений, осмий, — стоят еще больше. Высокая стоимость металлов платиновой группы и их низкая распространенность в земной коре постоянно заставляет химиков искать более дешевые и доступные варианты: железо, алюминий или медь, однако не всегда удается предсказать, как они будут работать.

В этом и была цель исследовательской группы под руководством профессора неорганической и металлоорганической химии Роланда Фишера. Они не собирались получать кластер, имитирующий поведение отдельного атома, а просто разрабатывали теоретическую модель, описывающую поведение катализатора на основе полиметаллических кластеров. Для получения таких соединений исследователи решили использовать восходящий метод синтеза — получить кластеры из отдельных атомов меди и алюминия, взяв в качестве источников этих атомов металлоорганические производные [AlCp*]₄ и [CuMes]₅ (Cp* — пентаметилциклопентадиенил, Mes — мезитил, 2,4,6-триметилфенил).

[AlCp*]₄ + [CuMes]₅

[Cu₄₃Al₁₂] (Cp*)₁₂

Схема получения суператома

Первоначально исследователи опасались, что медь и алюминий сохранят связи металл-углерод и не будут образовывать необходимые для связи металл-металл, однако опасения оказались напрасными. Образовался темно-красный осадок, который очистили и изучили с помощью рентгеноструктурного анализа, — продукт реакции имел довольно сложную структуру. Сорок три атома меди и двенадцать атомов алюминия сформировали геометрическую фигуру, поверхность которой была «вымощена» двадцатью равнобедренными треугольниками. Более того, пятьдесят пять атомов металлов организовались в один суператом, объединив свои электроны в единую электронную оболочку, распределение электронов в которой напоминает распределение по энергетическим уровням в обычном атоме. Расположенные на внешнем уровне этой объединенной оболочки три неспаренных электрона придают кластеру парамагнитные свойства.

Особенность нового полиметаллического кластера не только в том, что это самый большой суператом, известный на сегодня, но и в том, что он самопроизвольно образуется в растворе, не требуя значительной подпитки энергией. Это может говорить о том, что кластер-суператом [Cu₄₃(AlCp*)₁₂] термодинамически устойчив, поэтому в будущем можно ожидать получения и других суператомов такого же размера. В планах исследователей из группы Фишера дальнейшее изучение полученного суператома — его парамагнетизм и электронная конфигурация позволяют ожидать проявления интересных свойств.

Эта статья доступна в печатном номере "Химии и жизни" (№ 11/2018) на с. 16.