Першим і найвідомішим металоценом є «фероцен», який містить один атом заліза . Сендвіч-комплекси тепер є стандартними темами в підручниках з неорганічної хімії, а зв’язок і електронна структура металоценів розглядаються в курсах хімії для студентів. Ці сендвіч-молекули також важливі в промисловості, де вони служать каталізаторами та використовуються для створення унікальних металополімерів.
Ніхто точно не знає, скільки молекул сендвічів існує сьогодні, але число, безумовно, обчислюється тисячами. І всі вони мають одну спільну рису: один атом металу, розташований між двома плоскими кільцями атомів вуглецю. Принаймні так вважалося до 2004 року, коли дослідницька група з Університету Севільї зробила разюче відкриття.
Іспанській дослідницькій групі вдалося синтезувати сендвіч-молекулу, яка містила не один, а два атоми металу. Довгий час цей «диметаллоцен», що містить два атоми цинку, залишався єдиним прикладом такого роду, поки групі з Великобританії минулого року не вдалося синтезувати дуже схожу молекулу, яка містила два атоми берилію. Але тепер Інга Бішофф, докторант дослідницької групи доктора Андре Шефера в Саарському університеті, зробила ще один великий крок вперед. Їй вдалося синтезувати в лабораторії перший у світі «гетеробиметалічний» сендвіч-комплекс – диметалоцен, який містить два різних атоми металу.
Теоретичні та практичні прориви
Невдовзі після відкриття першого диметалоцену у 2004 році теоретична робота показала, що диметалоцени не обов’язково повинні містити два ідентичних атоми металу, і що комплекс з двома різними атомами металу також повинен бути стабільним. Ці прогнози були зроблені на основі квантово-хімічного моделювання розрахунків з використанням потужних комп’ютерів. Незважаючи на цю прогнозовану стабільність, усі спроби створити таку молекулу в лабораторії були безуспішними до нинішнього прориву Інги Бішоф.
«Це справді захоплююче та особливе, коли ти усвідомлюєш, що тримаєш у своїх руках. Неозброєним оком це виглядає як черговий білий порошок. Але я все ще чітко пам’ятаю момент, коли ми вперше побачили експериментально визначену молекулярну структуру на екрані комп’ютера і знали, що у нас є молекула-сендвіч із двома різними атомами металу», — сказав доктор Андре Шефер.
«Які вуглецеві кільця ви виберете так само важливо, як і атоми металу, які ви хочете помістити між ними. Це критично, оскільки електронні структури циклічних вуглецевих кілець і атомів металу повинні відповідати одна одній», — пояснила Інга Бішофф. «Метали, що містяться в нашому «гетеробиметалічному диметаллоцені», — це літій і алюміній. Розрахунки передбачили, що ці два метали будуть відповідними кандидатами, оскільки їх електронна структура в певному сенсі схожа на структуру двох атомів цинку, які, як ми знали, можуть утворювати стабільний диметалоцен».
Але те, що звучить таким простим і зрозумілим, потребувало місяців. Молекула виявляється настільки реакційноздатною, що її можна синтезувати, зберігати та аналізувати лише під інертним азотом або аргоном. Якби він контактував з повітрям, він би просто розклався. Після синтезу молекулу потрібно було охарактеризувати, до чого залучила цілу групу вчених із Саарландського університету. Результати їхньої роботи тепер опубліковані в авторитетному журналі Nature Chemistry .
«Наш гетеробиметалічний диметаллоцен представляє те, що фактично є абсолютно новим класом сендвіч-молекул», — сказав керівник групи д-р Андрі Шефер. «Хто знає, можливо, колись вона також увійде в підручник для студентів. Але перш за все, ми повинні вивчити його далі. На даний момент ми досить добре розуміємо його структуру, але все ще дуже мало знаємо про його реактивність. Якщо ми знайдемо інші відповідні комбінації атомів металів, у майбутньому цілком можливо буде синтезувати інші гетеробиметалічні диметалоцени».
Величезне значення цього класу молекул підкреслюється присудженням Нобелівської премії в 1973 році німецькому хіміку Ернсту Отто Фішеру та британському хіміку Джеффрі Вілкінсону «за їх новаторську роботу, виконану незалежно один від одного, з хімії металоорганічних, так званих сендвіч-компоненти.