БЕРКЛИ, Калифорния - Неуловимая цель использования огромного потенциала одного из самых распространенных материалов на Земле - еще один шаг к реализации. Используя сверхбыстрые спектроскопические методы, которые позволяют получить изображение «стоп-движения» в течение одной триллионной доли секунды, ученые из Национальной лаборатории Лоуренса Беркли Министерства энергетики США получили первую подробную картину реакции активации алкана при комнатной температуре.
Алканы представляют собой соединения атомов углерода и водорода, соединенных одинарными связями. Самым простым и наиболее распространенным является метан, основной компонент природного газа. Химики давно мечтают об использовании алканов в качестве экологически безопасного сырья для экологически чистого топлива и множества нефтехимических продуктов, включая пластмассы, растворители, синтетические волокна и фармацевтические препараты. Проблема заключалась в том, что связи между атомами углерода и водорода алкана достаточно прочны, чтобы сделать алканы в целом нереакционноспособными.
В начале 1980-х годов Роберт Бергман, химик из отдела химических наук лаборатории Беркли (CSD) и Калифорнийского университета в Беркли, возглавил открытие группы металлоорганических комплексов - соединений атомов металлов, таких как иридий или родий, зажатые между органическими молекулами с уникальным свойством. Было показано, что при облучении ультрафиолетовым светом эти металлоорганические соединения вызывают реакцию, которая способна разорвать углерод-водородные связи в алканах и ввести атомы металла в смесь, создавая новые, гораздо более реакционноспособные соединения углерод-металл-водород.
С момента открытия этой реакции активации алканов Бергман работал над ее лучшим пониманием с конечной целью разработки каталитического процесса, который можно было бы использовать в коммерческих операциях. Препятствием было то, что реакция происходит в течение 230 наносекунд (миллиардных долей секунды). Чтобы замедлить его для детального изучения, Бергман и Брэдли Мур, еще один химик, который также является совместным сотрудником лаборатории Беркли и Калифорнийского университета в Беркли, провели эксперименты со сжиженными растворителями инертных газов при экстремально низких температурах..
Поскольку эти условия далеки от тех, которые можно было бы использовать в коммерческом процессе, Бергман искал способ изучения реакции активации алканов в более реалистичных условиях. Было установлено новое сотрудничество с учеными лаборатории Беркли Чарльзом Харрисом и Хайнцем Фреем.
Harris предоставил специальный спектрометр для кинетики инфракрасных вспышек с временным разрешением, который работает в фемтосекундной (миллионной миллиардной) шкале времени. Это позволило исследователям облучать алканы и металлоорганические комплексы ультрафиолетовым светом и измерять кинетику при комнатной температуре с соединениями, растворенными в углеводородном растворителе. Фрей предоставил инфракрасный спектрометр с преобразованием Фурье (FTIR), который позволил исследователям отслеживать реакцию активации углерод-водород в наносекундном режиме. Эти мощные инструменты позволили ученым напрямую установить шкалу времени для активации алкановой связи в растворе при комнатной температуре.
Говорит Бергман: «Теперь у нас есть подробная картина реакции активации. Были идентифицированы и назначены структуры всех вовлеченных промежуточных соединений, а также установлены энергетические барьеры для каждой стадии реакции от сольватации до образования конечного алкилгидридного продукта. было оценено."
Говорит Харрис, эксперт в области фемтосекундных исследований: «Фемтосекундный метод, используемый в этом исследовании реакции алканов в сочетании с инфракрасной спектроскопией с пошаговым сканированием, должен быть применим ко многим другим проблемам, связанным с реакциями сложных молекул».
Хотя результаты этого исследования не представляют собой качественный скачок к цели превращения алканов в химически полезные продукты, хорошее «механистическое понимание» реакции активации алканов приближает науку к этой цели.
В этом проекте вместе с Бергманом, Харрисом и Фреем сотрудничали Мэтью Асплунд, Стивен Бромберг, Тяньцюань Лиан, Кеннет Котц, Брюс Макнамара, Хоу Янг, Джейк Йестон и М. Уилкенс.
Исследование было опубликовано на обложке недавнего номера журнала Science.
The Berkeley Lab - национальная лаборатория Министерства энергетики США, расположенная в Беркли, штат Калифорния. Он проводит несекретные научные исследования и управляется Калифорнийским университетом.