Химики из Мюнхенского технического университета синтезировали изоэлектронный аналог карбонат-иона, состоящий полностью из атомов металлов — [SnBi3]5-. Это первый пример полностью металлического аналога карбоната, к тому же устойчивого в растворах. Процесс синтеза занял около семи месяцев. Исследование опубликовано в журнале Angewandte Chemie International Edition, кратко о нем сообщает Chemistry World.
Изоэлектронные аналоги — соединения, в молекулах которых содержатся одинаковое количество атомов и совпадающие наборы валентных электронов. Например, изоэлектронными аналогами являются угарный газ (CO) и азот (N2). В атоме углерода ровно на один валентный электрон меньше, чем в азоте, а в кислороде — на один больше, суммарное число валентных электронов в азоте и в угарном газе совпадает. Другие примеры — анионы серной и хлорной кислот (SO42- и ClO4-), графен и нитрид бора. Изоэлектронные частицы оказываются очень близки по своим физическим свойствам: одинаковая структура, похожие температуры плавления и кипения, сходные энергии химической связи.
Авторы новой работы обнаружили рекордно тяжелый изоэлектронный аналог карбонат-аниона в рамках исследования висмутидов — соединений, в которых висмут несет на себе отрицательный заряд. Химики растворили в жидком аммиаке висмутид калия (K3Bi2) и станнид калия (K4Sn9) и оставили получившуюся красную жидкость более чем на полгода. В результате, через семь месяцев ученые обнаружили в сосуде черные пластинчатые кристаллы K5[SnBi3]·9(NH3) — калиевой соли необычного аниона.
Структурный анализ показал, что [SnBi3]5- — не часть полимерной цепочки из атомов металлов, а анион в форме правильного треугольника, геометрически совпадающий с карбонат-анионом (CO32-). Как и карбонат, новый анион содержит 24 валентных электрона, все атомы висмута в нем абсолютно идентичны (заряд делокализован между резонансными структурами). В отличие от карбонатов, стабильных в водных растворах, [SnBi3]5- быстро разлагается в присутствии воды — соединение устойчиво лишь в растворах жидкого аммиака.
У карбоната есть и более простые изоэлектронные аналоги — например, анион азотной кислоты (NO3-). Ранее химики синтезировали другие аналоги карбонатов — комплексные пниктиды кремния и германия (Cs5SiP3 и другие), пниктиды алюминия и индия (Cs6InAs3). Поиск соединений с необычными электронными свойствами и нестандартных изоэлектронных аналогов позволяет проверить границы применимости современных теорий в химии.
Ранее мы сообщали о синтезе новых классов «неорганических бензолов» — веществ, электронное строение которых напоминает ароматические органические вещества, но которые при этом не содержат в себе атомов углерода.
Владимир Королёв