Химики из Германии синтезировали органическую молекулу, напоминающую слой графена с дефектом структуры. Выяснилось, что через этот дефект могут проникать анионы фтора, хлора и брома. Причем в некоторых растворителях молекулы нанографена образовывали димеры, а галоген-анионы застревали внутри этих димеров. Исследование опубликовано в Nature.
Графен представляет собой лист из атомов углерода толщиной в один атом. Каждый атом образует по три связи с соседями и находится в состоянии sp2 гибридизации. По сути, графен состоит из огромного количества шестичленных углеродных колец, соединенных друг с другом. Эти кольца очень небольшие, и проникать через них могут только атомы водорода. Но если ввести в графен дефекты, поры в его структуре увеличатся, и более объемные атомы и молекулы смогут через них проникать. Такой подход можно использовать, например, для разделения двух газов, если молекулы одного могут просочиться через слой графена, а другого — нет.
Недавно химики под руководством Франка Вюртнера (Frank Würthner) из Вюрцбургского университета решили синтезировать слой графена с дефектом из простых органических соединений. Сначала они ввели в реакцию кросс-сочетания два ароматических исходных вещества, которые превратились в полициклическое ароматическое соединение с двумя атомами хлора. Это соединение димеризовалось с образованием нанографеновой структуры в присутствии комплекса никеля. Так химики синтезировали нанографен с дефектом — в середине молекулы не хватало одного шестичленного кольца до полной графеноподобной структуры, а вместо него была пора диаметром около одного ангстрема.
Далее ученые изучили поведение полученного нанографена в растворе. Они выяснили, что в полярных некоординирующих растворителях — например, толуоле или дихлорметане — он существует в виде мономера. А в координирующих растворителях — диметилсульфоксиде или ацетонитриле — нанографен димеризовался. Структуру димера ученые установили с помощью рентгеноструктурного анализа. Оказалось, что в ней два графеновых листа и, соответственно, две поры, находятся друг над другом.
Затем химики решили выяснить, могут ли анионы галогенов проходить через пору в середине нанографенового листа. Для этого они смешали нанографен с хлоридом тетрабутиламмония в смеси толуола и ацетонитрила (в такой смеси нанографен существовал в виде димера). Через 10 минут перемешивания химики зарегистрировали ЯМР-спектр реакционной смеси, и он показал образование комплекса хлорид-аниона с димером нанографена.
Как затем выяснили химики, хлорид-анион располагался между двумя листами нанографена в области их дефектов и связывался шестью водородными связями с каждым из нанографеновых листов. Образование такой структуры в растворе означало, что хлорид-анион прошел через пору в одном листе и задержался между двумя листами, образовав водородные связи.
Так химики выяснили, что не только небольшие молекулы газов, но и анионы галогенов могут проходить через слои графена с дефектами. Причем это работало не только с хлорид-анионом, но и с фторид- и бромид-анионами. А иодид-анион оказался слишком большим.
Ранее мы рассказывали о том, как химики селективно восстановили нанографен с помощью щелочных металлов.