В химии есть структуры, отличающиеся особой стабильностью, например, так называемое «бензольное кольцо», состоящее из шести связанных между собой атомов углерода. Такие кольца составляют структурную основу графита и графена, но они также встречаются во многих красителях, таких как индиго для окрашивания джинсов, и во многих лекарствах, таких как аспирин..
Когда химики хотели целенаправленно построить такие кольца, они использовали так называемые реакции сочетания, которые обычно носят имена их изобретателей: например, реакция Дильса-Альдера, реакция Ульмана, циклизация Бергмана или сцепление Suzuki. Теперь есть еще один, у которого пока нет имени. Он был обнаружен командой из Empa совместно с Институтом исследований полимеров имени Макса Планка в Майнце.
Все всухую
Исследователи Empa отказались от жидкостей в своем химическом синтезе и вместо этого прикрепили исходные материалы к поверхности золота в сверхвысоком вакууме. Исходный материал (диизопропил-п-терфенил) можно спокойно наблюдать в охлажденном сканирующем туннельном микроскопе до того, как исследователи добавят тепла.
Подогрев - движение на танцполе
При комнатной температуре еще ничего не происходит, но примерно при 200 градусах Цельсия происходит удивительная реакция, которая никогда не произойдет в жидкостях: две изопропильные группы, обычно совершенно неактивные с химической точки зрения, объединяются в образуют бензольное кольцо. Причина: благодаря прочному «прилипанию» к поверхности золота атом водорода сначала разрыхляется, а затем высвобождается из молекулы. Это создает углеродные радикалы, которые ждут новых партнеров. И на золотой поверхности много партнеров. При 200 градусах Цельсия молекулы вибрируют и совершают стремительные пируэты - на золотом танцполе много движения. Так что то, что должно быть вместе, скоро будет вместе.
И еще раз все в замедленной съемке
Сватовство на золотой поверхности имеет два преимущества. Во-первых, нет необходимости в принуждении: реакция протекает без участия борных кислот или разлетающихся атомов галогенов. Это сочетание, в котором участвуют только насыщенные углеводороды. Исходные материалы дешевы и легко доступны, а токсичные побочные продукты отсутствуют.
Второе преимущество заключается в том, что исследователи могут наблюдать за каждым этапом реакции, что невозможно при классической, «жидкой» химии. Команда Empa просто постепенно увеличивает нагрев золотой поверхности. При 180 градусах по Цельсию молекулы лишь соединили одну руку с соседями, вторая еще свободно выступает в танцпол. Если теперь охладить поверхность золота в сканирующем туннельном микроскопе, можно увидеть и «сфотографировать» молекулы непосредственно перед тем, как они «выйдут замуж». Именно это и сделали исследователи. Таким образом, механизм реакции можно проследить в виде «моментальных снимков».
Возможности для «новой» химии
Исследователи и их коллеги ожидают, что текущая работа приведет к двум видам эффектов. Во-первых, «метод моментальных снимков» может быть пригоден и для выяснения совершенно иных механизмов реакции. В Empa разрабатываются инструменты, которые используют ультракороткие лазерные импульсы в сканирующем туннельном микроскопе для пошагового изучения таких химических реакций. Это может дать дополнительные сведения о химических реакциях и вскоре перевернуть многие старые теории.
Однако результаты исследований «на суше» также могут быть полезны для дальнейшего развития «жидкой» химии. До сих пор большинство реакций, задокументированных в литературе, исходили из классической жидкостной химии, и исследователи со сканирующим зондом смогли воссоздать эти эксперименты. В будущем некоторые реакции также можно было бы разработать в сканирующем туннельном микроскопе, а затем перенести в жидкую или газообразную химию.