Новости химической науки > «Сжатая пружина»: в MIT создали молекулу, которая может изменить энергетику и экологию

Химики впервые синтезировали диоксабориран — соединение, десятилетиями считавшееся «невозможным». Оно образуется при комнатной температуре и ведёт себя как два разных вещества.

Исследователи из Массачусетского технологического института (MIT) совершили прорыв в фундаментальной химии, создав молекулу, которую до недавнего времени можно было встретить только в теоретических работах. Речь идёт о диоксабориране — представителе редкого семейства борсодержащих пероксидов, структура которых долгое время оставалась неисследованной из-за их крайней нестабильности.

Почему эту молекулу считали «невозможной»

Диоксабориран представляет собой трёхчленное кольцо, состоящее из одного атома бора и двух атомов кислорода. Такая структура обладает колоссальным внутренним напряжением — учёные сравнивают её со сжатой пружиной, накопившей огромное количество химической энергии. Именно из-за этого напряжения подобные соединения обычно разваливаются на части прежде, чем их удаётся зафиксировать.

Традиционно для синтеза таких нестабильных молекул химики использовали экстремальные условия: температуры, близкие к абсолютному нулю, или сверхвысокое давление. Однако команда под руководством профессоров Кристофера Камминса и Роберта Джиллиарда-младшего пошла другим путём.

Реакция, которая удивила даже химиков

Ключевое открытие заключается в том, что диоксабориран образуется почти мгновенно при комнатной температуре. Достаточно, чтобы специально сконструированное борсодержащее соединение (диазоборан) вступило в контакт с обычным молекулярным кислородом воздуха. Никаких криостатов, никаких автоклавов — только продуманный дизайн исходного реагента.

Учёные подтвердили структуру новой молекулы с помощью рентгеноструктурного анализа и квантово-химических расчётов. Расчёты также объяснили, почему диоксаборираны образуются термически, в отличие от родственных диоксиранов, для синтеза которых требуется строгий фотохимический контроль.

Двойственная «личность» молекулы

Наиболее интригующий аспект открытия — не сама структура, а то, как диоксабориран ведёт себя в химических реакциях. В зависимости от электрического заряда он демонстрирует два принципиально разных типа реактивности:

«Строитель». Нейтральная форма диоксаборирана работает как донор кислорода. Она способна передавать атомы кислорода другим молекулам — точно так же, как это делают промышленные пероксиды, используемые в фармацевтике и тонком органическом синтезе. Это открывает путь к более безопасным и мягким окислительным реакциям, которые сегодня требуют жёстких условий.

«Ловец». Анионная форма ведёт себя иначе: она проявляет нуклеофильные свойства и реагирует с углекислым газом. Это свойство делает её потенциальным инструментом для новых систем улавливания CO₂ — технологий, которые могли бы извлекать парниковый газ из атмосферы с меньшими энергозатратами, чем существующие решения.

Что это меняет для энергетики и экологии

Хотя до коммерческого применения новой молекулы ещё далеко, её значение для фундаментальной науки трудно переоценить. Во-первых, диоксабориран расширяет наши представления о химии бора — элемента, который уже активно используется в катализе, материаловедении и разработке аккумуляторов. Во-вторых, он демонстрирует, что даже «невозможные» структуры можно получать, если правильно подойти к дизайну прекурсоров.

В более широком смысле открытие даёт химикам новый инструмент для управления окислительными процессами. Мягкие условия синтеза означают, что подобные реакции можно будет масштабировать с меньшими затратами энергии и с меньшим количеством опасных отходов — принципиально важный шаг в направлении «зелёной химии».

Как отмечают сами исследователи, одна молекула не решит климатический кризис. Но она может стать тем самым первым звеном, с которого начнётся создание принципиально новых энергоэффективных технологий — от производства лекарств до улавливания углерода.

метки статьи: #вопросы экологии, #углекислый газ