Новости химической науки > Фотография химической реакции

Атомно-силовая микроскопия высокого разрешения [atomic force microscopy (AFM)] можно стало использовать для новых приложений – теперь ее можно применять для получения изображений отдельных молекул до и после химических реакций.

Исследователи из группы профессора химии Феликса Фишера (Felix R. Fischer) и профессора физики Майкла Кромми (Michael F. Crommie) из Университета Калифорнии (Беркли) использовали атомно-силовую микроскопию для получения изображения ендиина и продуктов его термически инициируемой циклизации на поверхности серебра.

Исследователи выбрали для изучения ендииновую систему поскольку, по их мнению, такая система может привести к образованию графеноподобных структур. Исследовательские интересы Фишера и Кромми заключаются в изучении таких реакций, протекающих на твердой поверхности субстрата, какие могут привести к образованию структур, полезных для применения в молекулярной электронике.

Изображение, полученное с помощью атомно-силового микроскопа, показывает процесс циклизации 1,2-бис[(2-этинилфенил)этинил]бензола на серебряной подложке; в результате этого процесса образуется два продукта. (Рисунок из Science 2013, DOI: 10.1126/science.1238187)

Ендиины могут участвовать в ряде конкурирующих процессов циклизации, в результате которых образуется множество близких по структуре продуктов, которые зачастую достаточно сложно идентифицировать. Такие методы установления структуры, как масс-спектрометрия и ядерный магнитный резонанс в ряде случаев не справляются с задачей идентификации этих веществ из-за одинаковых молекулярных масс, а в спектрах ЯМР смеси продуктов реакции имеются перекрывающиеся пики, которые сложно разрешить.

Атомно-силовая микроскопия попала в заголовки научных новостей несколько лет назад, когда исследователи из IBM опубликовали картинки, отображающие структуру (расположение атомов, длины связи и валентные углы молекулы пентацена. С того времени атомно-силовая микроскопия стала использоваться для определения структуры природных соединений, определения порядка и длины индивидуальных связей в полициклических ароматических соединениях и фуллеренах, а также для изучения взаимопревращений изомеров дибензо[a,h]тиантрена.

Для выполнения нового исследования Фишер и Кромми нанесли на поверхность серебра 1,2-бис[(2-этинилфенил)этинил]бензол, получили изображение молекул и нагрели поверхность до температуры, превышающей 90°C, чтобы инициировать циклизацию. Было обнаружено, что половина исходных молекул превратилась в полициклические ароматические структуры, состоящие из конденсированных пяти шестичленных и двух пятичленных циклов. Еще четверть молекул образовала структуры, состоящие из четырех шестичленных циклов, связанных через один четырехчленный цикл, и двух пятичленных циклов. Остальными продуктами являлись олигомерные структуры и присутствующие в незначительном количестве полициклические изомеры.

Фишер отмечает, что результаты работы дважды удивили исследователей. Во-первых, главным удивлением было, что в результате реакции образуется всего лишь два главных продукта. Во-вторых, удивление вызывала структура самих продуктов. От отмечает, что химическая интуиция и опыт позволяла нарисовать десятки возможных продуктов реакции, однако ни одна из структур, не соответствовала тому, что протекает на поверхности. В растворе путь к продуктам, образовавшимся в ходе экспериментов, лежит через большой барьер активации, однако взаимодействие исходных веществ с поверхностью способствовало протеканию совсем необычных химических процессов.

Как отмечает Лео Гросс (Leo Gross) из исследовательского центра IBM в Цюрихе, возглавлявший пионерскую работу, в результате которой было получено изображение пентацена, новая работа является ярким примером возможностей современной атомно-силовой микроскопии. Он добавляет, что атомно-силовая микроскопия продолжает демонстрировать свой потенциал для определения структур соединений, позволяя получать все более детальную информацию о химических соединениях и их превращениях.

Источник: Science 2013, DOI: 10.1126/science.1238187

метки статьи: #аналитическая химия, #нанотехнологии, #органическая химия, #химия поверхности