Рентген катализа

С–Н-связь — одна из самых сильных химических связей в природе. Сорок лет назад ученые открыли, что ее разрыв катализируют переходные металлы: палладий и родий. Они позволили сильно облегчить первый шаг в химическом преобразовании метана и других насыщенных углеводородов. Единственным условием для запуска каталитической реакции была короткая вспышка света. Она рвала ближайшую к катализатору связь почти без затрат энергии. Ученые выяснили, что реакция базируется на перетекании электрического заряда от катализатора к связи и обратно, однако полный механизм катализа все еще неясен.

Недавно команда ученых нескольких европейских университетов сделала большой шаг к его разгадке. Экспериментальными и теоретическими исследованиями руководили постдоки Университета Упсалы — Рафаэль Джей (Raphael Jay) и Амбар Банерджи (Ambar Banerjee).

Физики использовали короткие вспышки рентгеновского излучения для зондирования электронных состояний реагентов при катализе. Два проведенных эксперимента были возможны только на самых мощных и коротких источниках рентгена в мире, лазерном и синхротронном. Оба находятся в Швейцарском институте ядерных исследований Института Пауля Шеррера.

Опыты позволили изучить сверхбыстрый обмен электронами между родиевым катализатором и группой С–Н в октане (С₈Н₁₈). В тонком эксперименте ученые целенаправленно отслеживали одну связь из сотен тысяч разорванных. Измерения выявили начальную стадию активации катализатора, длящуюся 400 фемтосекунд, и последующий обмен зарядами до полного разрыва связи 14 наносекунд спустя.

Теоретики провели расчеты квантово-механической модели явления, которые позволили четко идентифицировать перетекание электронного заряда между катализатором и группой С–Н в нужной для реакции пропорции. Сначала перетекающий с металла заряд связывал группу и катализатор, затем поток заряда в обратном направлении отрывал атомы С и Н друг от друга.

Сейчас перед учеными стоит задача понять, как можно направлять поток электронов, чтобы управлять реактивностью переходных металлов и создавать более эффективные катализаторы. Результаты работы опубликованы в журнале Science в начале июня.