Химики нашли общий метод получения молекулярных ремней с топологией Мебиуса
И впервые получили трижды скрученный мебиусовский ремень
Две группы химиков одновременно сообщили о синтезе двухцепочечных органических ремней с топологией ленты Мебиуса. Химики из Японии разработали метод энантиоселективного синтеза скрученных ремней с помощью хирального родиевого катализатора. А их коллеги из Сингапура, Китая и Японии сообщили о первом синтезе полностью сопряженного трижды скрученного мебиусовского ремня. Обе статьи (раз, два) опубликованы в журнале Nature Synthesis.
Из-за своей геометрии циклические молекулы с топологией Мебиуса обладают большой энергией напряжения — и поэтому их сложно синтезировать. Если в одной и той же реакции может получиться обычная циклическая молекула или мебиусовская лента — основным продуктом всегда будет простой цикл без скручиваний. Это еще более характерно для сопряженных молекулярных ремней, в которых сопряженные двойные связи предпочитают быть в одной плоскости, а не скручиваться.
Несмотря на эти трудности, химики уже научились синтезировать полностью сопряженные молекулярные цепочки и ремни с мебиусовской топологией. Но примеров многократно скрученных мебиусовских ремней с полностью сопряженной системой связей не было известно до сих пор.
О синтезе такого вещества недавно рассказали химики под руководством У Цзи Шаня (Wu Jishan) из Национального университета Сингапура. Они провели реакцию Судзуки с двумя ациклическими исходниками, а получившуюся скрученную цепочку замкнули в ремень. В результате с выходом в 28 процентов образовался трижды скрученный углеродный ремень с топологией Мебиуса, причем все ароматические кольца в его структуре оказались сопряженными друг с другом. Затем полученное вещество авторы статьи разделили на два оптических изомера с помощью жидкостной хроматографии с хиральным сорбентом.
Другая группа химиков под руководством Кена Танаки (Ken Tanaka) из Токийского технологического института занялась схожей проблемой. Ученые решили найти способ получать мебиусовские ремни в виде одного оптического изомера — то есть, энантиселективно. Для этого они решили использовать реакцию тримеризации, катализируемую фосфиновыми комплексами родия.
Химики взяли комплекс родия с хиральным фосфином и смешали его с несколькими предварительно полученными циклическими полиинами — молекулами с несколькими тройными связями в структуре. В результате замыкания циклов в этих реакциях образовались углеродные ремни с разным количеством и конфигурацией скручиваний. Так, энантиомерный избыток в синтезе трижды скрученного мебиусовского ремня составил 86 процентов. А в синтезе дважды скрученного немебиусовского ремня — 96 процентов.
В результате одна группа химиков впервые получила трижды скрученный полностью сопряженный молекулярный ремень, а вторая — разработала общий метод энантиоселективного синтеза молекулярных ремней с разной топологией и составом. Эти открытия помогут другим группам химиков синтезировать молекулярные ремни с заданными оптическими свойствами.
Ранее мы рассказывали о том, как химики синтезировали первый полностью сопряженный углеродный ремень с одним скручиванием.
Металл можно регенерировать, а сами губки использовать повторно
Американские материаловеды разработали фильтры для воды на основе целлюлозных губок, декорированных наночастицами оксидов металлов. Сорбированный металл можно регенерировать, а сами губки использовать повторно. Результаты исследования опубликованы в журнале ACS EST Water. Даже небольшое количество свинца в питьевой воде может вызывать серьезное поражение нервной системы и других органов. Особенно опасен свинец для нервной системы детей и подростков: исследования показывают, что дети, потреблявшие загрязненную свинцом воду не только имеют более низкий IQ и плохие оценки, но и с более высокой вероятностью впоследствии нарушают закон. В Евросоюзе безопасным количеством свинца в питьевой воде считают пять миллиардных долей (не более пяти молекул солей свинца на каждый миллиард молекул воды). Агентство по охране окружающей среды США после массового отравления свинцом в штате Мичиган в 2014 год и вовсе полагает, что нужно стремиться к полному удалению этого металла из воды. Винаяк Дравид (Vinayak P. Dravid) и его коллеги из Северо-западного Университета научились очищать воду от свинца с помощью целлюлозных мембранных фильтров. За основу ученые взяли доступные целлюлозные губки. Благодаря пористости и гидрофильности такие материалы и сами по себе способны очищать воду от тяжелых металлов. А чтобы увеличить сорбирующую способность, внутрь пор губок поместили наночастицы оксидов металлов.Сначала ученые подготовили четыре разных вида наночастиц: оксида алюминия Al2O3, оксида цинка ZnO, оксида железа Fe3O4, а также наночастицы FeOOH, в которых часть атомов железа были заменены на атомы марганца Mn. Губки замачивали в водных растворах наночастиц, а затем высушивали при температуре 60 градусов Цельсия. Чтобы добиться более высокой концентрации наночастиц в финальном материале, процедуру можно повторить несколько раз. Затем полученные материалы испытали на способность сорбировать свинец. Губки погружали в растворы с концентрацией свинца от 1 до 100 миллионных долей. Всего авторы испытали пять материалов: с добавками четырех разных видов наночастиц и без добавок. Количество самих добавок в композите тоже меняли. Такой большой массив данных был нужен авторам для того, чтобы построить изотермы адсорбции — графики зависимость количества адсорбированного вещества от концентрации в растворе при постоянной температуре. Это позволило сравнить разные параметры процессов количественно. Самую высокую емкость показали композиты с наночастицами оксида цинка и и оксида железа, допированного марганцем. Они способны принять в себя больше всего свинца. В то же время по связывающей способности чемпионами оказались губки с наночастицами оксида железа и оксида железа, допированного марганцем. Эти материалы хорошо работали при низких концентрациях свинца, к тому же показывали большую селективность, и связывали преимущественно свинец, даже в присутствии других металлов. В итоге оптимальным сорбентом авторы признали композит с наночастицами оксида железа, допированного марганцем Mn-FeOOH.Одной из причин авторы называют более мелкий размер и более высокую удельную площадь поверхности Mn-FeOOH наночастиц — 217 квадратных метров на грамм против 102 квадратных метров на грамм у приготовленных в таких же условиях частиц оксида железа. К тому же благодаря мелкому размеру наночастицы Mn-FeOOH проникали даже в самые мелкие поры губок. Чтобы проверить новый материал в реальных условиях, авторы изготовили из него фильтровальную мембрану и пропустили через нее воду с начальной концентрацией свинца в одну миллионную долю. После двух циклов фильтрования концентрация свинца снизилась в двести раз — до 5 миллиардных долей, а после третьего цикла — до 0,2 миллиардной доли.Сорбированный на губки свинец можно регенерировать. Для этого достаточно поместить губку в кислый водный раствор. Пока что авторам удалось регенерировать 90 процентов свинца, однако они полагают, что в будущем эту долю можно будет еще повысить, подобрав оптимальные условия реакции. Сами губки в процессе регенерации не повреждаются, их тоже можно использовать повторно. Два года назад американские материаловеды модифицировали мембраны для электродиализа с помощью наночастиц пористых ароматических каркасных структур. В результате им удалось не только очистить воду, но и селективно извлечь более 99 процентов ртути, меди, железа и борной кислоты.
