Ученые Томского политехнического университета вместе с коллегами из Сибирского отделения РАН и Новосибирского государственного университета синтезировали новые стабильные органические радикалы с магнитными свойствами. Получать подобные соединения крайне сложно. Ученые применили новый подход к синтезу, что позволило сократить число стадий и упростить процесс. Результаты работы опубликованы в одном из самых престижных научных журналов по химии — Angewandte Chemie International Edition (IF: 12,959; Q1).
Первые органические магнитные соединения были созданы в 1985 году, но до сих пор их не так много. В перспективе органические магниты могут стать альтернативой кремнию и металлам, используемым в электронике.
Из всех органических магнитов наиболее перспективными считаются стабильные радикалы. Это связано с особенностями их внутренней структуры. С ними и работают ученые Томского политеха.
«Стабильные радикалы — это органические молекулы, у которых не хватает одного электрона. И если обычные радикалы живут буквально доли секунд, так как стремятся побыстрее восполнить нехватку электрона и вступить в реакцию с другими молекулами, то стабильные представители могут жить даже годы. Поэтому с ними можно работать.
В своих исследованиях мы ищем наиболее простые способы комбинации стабильных радикалов между собой, продукты таких реакций могут обладать очень интересными свойствами. Например, в данной работе мы презентовали сразу три новые молекулы, одна из которых представляет особый интерес»,
— говорит один из авторов статьи, ассистент Исследовательской школы химических и биомедицинских технологий ТПУ Павел Петунин.
Сам процесс соединения двух радикалов крайне сложный. Он требует тщательного подбора условий, при этом точных методов для моделирования реакций и прогнозирования результата нет. Поэтому каждую новую молекулу такого типа можно назвать событием в мире органической химии.
Фото: кристаллическая структура вердазил-нитроксильного дирадикала
«Обычно для синтеза новой молекулы используется 10-15 последовательных превращений. Мы предложили другой подход: взять два радикала разного типа (вердазильный и нитронил-нитроксильный) и сложить их вместе, как детальки от пазла, посредством одной реакции, — отмечает ученый. — Это, а также конечная реакция, предложенная нашими новосибирскими коллегами, позволило сократить число стадий в синтезе до восьми. Это существенное упрощение для химиков. В итоге, чтобы нам что-то изменить в синтезе, попробовать другие исходные элементы, у нас уходит день-два, у других групп на те же действие может уйти месяц».
Одна из полученных молекул представляет особый интерес благодаря сочетанию стабильности (выдерживает нагревание до 200 градусов по Цельсию) и свойств. Например, у молекулы высокий показатель спин-спинового обмена между двумя радикалами, входящими в ее состав.
«Между радикалами правильное расстояние, которое обеспечивает хороший обмен межу ними. Что это дает? Это значит, что у получившейся молекулы большая энергетическая щель — разница между низколежащим и высоколежащим энергетическими уровнями. Чем эта щель больше, тем в перспективе лучше для различного рода применений. Этот переход между низким уровнем энергии и высоким должен быть предсказуемым и управляемым. Это напрямую связано с величиной энергетической щели. Чем она больше, тем проще работать с этими молекулами», — говорит ученый.
По словам исследователя, в дальнейшем ученые будут искать возможности для практического применения полученных соединений.
«Это исследование междисциплинарное, результат сотрудничества целого ряда организаций — как университетов, так и академических институтов — под руководством доцента Павла Постникова, профессора Евгения Третьякова, академика Виктора Овчаренко. Особая роль в работе принадлежит молодому руководителю уже собственной научной группы — ассистенту Павлу Петунину. У нас действует программа развития молодых исследователей, которая приносит свои плоды в становлении молодежных научных групп. Мы прилагаем усилия для создания комфортной научной среды, даем ученым возможность воплощать свои идеи в реальность. Научная группа Павла Петунина — это пример того, как аспирант, защитив кандидатскую диссертацию, остается в университете и начинает свое направление, создает свою группу», — говорит директор Исследовательской школы химических и биомедицинских технологий ТПУ Марина Трусова.
Справка:
Авторы статьи — ученые из Томского политехнического университета, Новосибирского института органической химии им. Н.Н. Ворожцова СО РАН, Института химической кинетики и горения им. В.В. Воеводского СО РАН, Международного томографического центра СО РАН и Новосибирского государственного университета.
Соавторы из Новосибирского института органической химии им. Н.Н. Ворожцова СО РАН: Evgeny V. Tretyakov, Svetlana I. Zhivetyeva, Irina Yu. Bagryanskaya, Maxim S. Kazantsev, Inna K. Shundrina, Elena V. Zaytseva, Dmitriy A. Parkhomenko, Elena G. Bagryanskaya
Ferromagnetically Coupled S = 1 Chains in Crystals of Verdazyl‐Nitronyl Nitroxide Diradicals