Вчені Інституту органічної хімії імені М.Д. Зелінського РАН спільно з американськими колегами описали механізми ап-конверсії для електронів - збільшення їх енергії в ході хімічних реакцій.
Принципи цього процесу неусвідомлено використовуються в хімічному синтезі, однак, детально їх раніше не досліджували. Робота виконана за підтримки молодіжного гранту РНФ і опублікована в журналі Angewandte Chemie.
У хімії, як і в економіці, є універсальні «валюти для обміну». При всій різноманітності процесів таких «валют» не так вже й багато: фотон, електрон і протон. Рушійною силою будь-якого процесу є енергія, і саме ці частинки виявилися найбільш підходящими, щоб її направляти, контролювати, зберігати витратити
.
Визначальними факторами тут є як загальна поширеність і доступність цих частинок, так і їх компактність, що визначає високу питому «вартість». Цієї ж логіки вчені дотримуються і в розвитку енергоносіїв.
Ідеальною була б система, що працює повністю або майже «безкоштовно», свого роду вічний двигун, проте її існування неможливе в силу законів термодинаміки: не можна отримати енергії більше, ніж було витрачено. Втім, здесь
есть винятки, хоча і здаються.
"Відомі сполуки, одна молекула яких здатна прийняти два низькоенергетичних" холодних "фотони і" перетворити "їх на один високоенергетичний" гарячий ". Або дві молекули можуть прийняти за «холодним» фотоном і разом повернути один «гарячий» (природно, з певними комісійними енергетичними зборами).
Це явище називається ап-конверсією фотона, і воно відоме вже понад півстоліття. Подібне підвищення енергії можливе і для інших поширених засобів обміну, електронів, але для них подібні питання раніше не розглядалися ", - розповідає Михайло Сироєшкін, старший науковий співробітник Інституту органічної хімії імені М.Д. Зелінського РАН.
Існує група хімічних процесів, званих екзергонічними, в результаті яких система реагентів виділяє енергію. Автори показали, як використовувати цю енергію для того щоб електрон, що знаходиться в молекулі, «набрав сили».
Принципи ап-конверсії задіяні в багатьох природних механізмах - від світіння світлячків до відновлення пошкодженої ДНК. Також на них заснована дія ферментів - природних каталізаторів, прискорювачів хімічних реакцій.
У своїй статті вчені розглянули, як саме екзергонічні реакції можуть стимулювати ап-конверсію електронів. У живій системі «слабкий» електрон є доступним, і якщо його перенести на якусь хімічно активну сполуку (той же фермент), то ап-конверсія може запустити «реакційний вибух».
Це корисно для реакцій, що каталізуються переходом електрона, в тому числі в області фоторедокс-каталізу, що інтенсивно розвивається (використовується, наприклад, для синтезу деяких циклічних з'єднань). Тут ап-конверсія електронаявляється
ключовим учасником циклу: електрон грає роль човника в ланцюжку хімічних реакцій, подорожуючи від молекули до молекули, переходячи зі «слабкого» стану в «сильний» і назад. В результаті з використанням одного електрону можна отримати більшу кількість продукту.
"Між тим, можливість протікання ап-конверсії електрона в тому чи іншому випадку може бути надійно виявлена за допомогою сучасних квантовохімічних і експериментальних методів.
Отже, дане явище послужить основою для нових каталітичних процесів і буде мати не тільки концептуальне значення, але і передбачувальну силу ", - підсумовує Михайло Сироєшкін.
Робота виконана співробітниками Інституту органічної хімії імені М.Д. Зелінського РАН спільно з групою Ігоря Алабугіна з Університету штату Флорида (США).