Среда, 21 февраля, 2024
ДомойХимияИнновации в невозможном: ученые передали первую в истории окислительно-восстановительную реакцию домино

Инновации в невозможном: ученые передали первую в истории окислительно-восстановительную реакцию домино

- Advertisement -

Исследователи из Университета Хоккайдо впервые ввели реакцию домино в окислительно-восстановительной химии, создав молекулу, которая претерпевает структурные изменения для облегчения последовательных реакций. Этот прорыв может повлиять на будущие разработки в области нанотехнологий, батарей возобновляемой энергии и материалов с регулируемыми электронными свойствами.

Впервые ученым удалось передать эффект, известный как реакция домино, с помощью окислительно-восстановительной химии.

Реакции домино происходят, когда трансформация одной химической группы стимулирует реакцию другой присоединенной группы или другой молекулы, что приводит к быстрому эффекту домино в системе, подобно ряду падающих домино. Исследователи из Университет Хоккайдо теперь получили первый пример реакции домино в области химии, называемой окислительно-восстановительной химией.

Реакция домино — это серия химических реакций, в которых каждая реакция запускает следующую реакцию в серии, подобно падению домино (вверху). В окислительно-восстановительной реакции домино каждая реакция вызывает структурное изменение, которое запускает следующую окислительно-восстановительную реакцию в серии (внизу). Фото: Такаши Харимото и др. Angewandte Chemie, международное издание. 28 ноября 2023 г.

Понимание окислительно-восстановительной химии

Термин «окислительно-восстановительный потенциал» происходит от «восстановления», обозначающего прирост электронов, и «окисления», обозначающего потерю электронов. Таким образом, окислительно-восстановительные реакции представляют собой процессы переноса электрона.

«Проблема с достижением реакций домино в окислительно-восстановительных процессах заключается в том, что перенос электронов, особенно многоэлектронный, приводит к образованию электрически заряженных разновидность чьи электростатические взаимодействия могут препятствовать дальнейшим изменениям», — говорит химик Юсуке Исигаки из команды Хоккайдо.

Молекула SS-BQD подвергается домино-окислительно-восстановительной реакции с образованием тетракатионной формы соединения (вверху). Эта окислительно-восстановительная реакция домино первоначально запускается под действием тепла, что вызывает структурные изменения, которые приводят к окислительно-восстановительной реакции домино. Фото: Такаши Харимото и др. Angewandte Chemie, международное издание. 28 ноября 2023 г.

Инновационный молекулярный дизайн

Чтобы преодолеть эти препятствия, исследователи разработали молекулу, состоящую из двух частей, которая претерпевает значительные структурные изменения, когда одна часть преобразуется между электрически нейтральным (восстановленным) и положительно заряженным (окисленным) состояниями. Это структурное изменение передает химический эффект на другую часть молекулы, что повышает вероятность ее собственного окисления.

Сконструированная ими молекула состоит из двух относительно крупных окислительно-восстановительных единиц, соединенных неплоской гибкой связью, образованной атомами серы. Когда одна из парных единиц теряет электроны (окисляется), она приобретает два положительных заряда, которые действуют как триггер, 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, достигая эффекта домино.

Такаси Харимото, первый автор (слева), и Юсуке Исигаки, автор-корреспондент (справа), перед рентгеновским прибором (Rigaku XtaLAB Synergy-S). Фото: Юсуке Исигаки.

Потенциальные применения и будущие последствия

Первоначальный запуск реакции может быть инициирован повышением температуры, что является средством контроля. Хотя этот эффект до сих пор был продемонстрирован только в молекуле, состоящей из двух частей, исследователи предполагают, что в конечном итоге его можно будет использовать для передачи волнообразных окислительно-восстановительных преобразований в гораздо более крупных молекулах со многими из элементов «домино», связанных вместе.

Применение этого открытия может быть в далеком будущем, но некоторые общие возможности явно существуют. Например, электрические и структурные преобразования, происходящие через молекулярные цепи, могут стать наноразмерными движущимися частями химических вычислительных систем и датчиков. Новые аккумуляторные системы также могут найти применение, необходимое для поддержки продолжающегося перехода к технологиям возобновляемой 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», — говорит Исигаки.

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

Ссылка: «Домино-окислительно-восстановительная реакция, вызванная электрохимически вызванным конформационным изменением», Такаши Харимото, Томоки Тадокоро, Соитиро Сугияма, Таканори Судзуки и Юсуке Исигаки, 16 ноября 2023 г., Angewandte Chemie, международное издание.
DOI: 10.1002/anie.202316753

Исследование финансировалось Министерством образования, культуры, спорта, науки и технологий Японии, Японским обществом содействия науке, Японским агентством науки и технологий, Фондом содействия ионной инженерии и Исследовательской программой Пятизвездочный альянс в сети Объединенного исследовательского центра (NJRC) по материалам и устройствам.

Исходная ссылка

- Advertisement -

Популярное по теме