Тяжёлый рок мировой науки
Как металл и чёрный цвет помогают делать большие открытия в химии
Катализ, нитрогеназа, Хабер-Бош и высоковалентный нитрид железа. Думаю, в мире найдётся не много людей, которые точно скажут, что означают эти слова и как они между собой взаимосвязаны. Но, разумеется, есть и те, для кого эта «химическая какофония» как музыка для души. Это учёные, играющие главную… нет, даже не скрипку, а скорее, бас-гитару в неорганической химии. С одним из таких специалистов по металлу, бывшим студентом Новосибирского государственного университета и нынешним руководителем научной группы Университета Эрлангена - Нюрнберга, соавтором недавней статьи в Science о синтезе комплекса пятивалентного железа Маратом Хуснияровым мне удалось пообщаться.
Марат Хуснияров: «Надеюсь, чёрный цвет и железо в музыке и науке будут еще долго
меня радовать»
Справка STRF.ru:
Хуснияров Марат Мажитович родился 5 ноября 1979 года в Петропавловске-Камчатском. Окончил факультет естественных наук (отделение химии) Новосибирского государственного университета, аспирантуру Марбургского университета имени Филиппа (Марбург, Германия), где, кстати, когда-то учился Михаил Ломоносов. Прошёл постдок в Институте бионеорганической химии Общества Макса Планка (Мюльхайм-ан-дер-Рур, Германия). С 2009 года по настоящее время - руководитель научной группы, хабилитант факультета химии и фармацевтики Университета имени Фридриха-Александра в Эрлангене и Нюрнберге (Эрланген, Германия). Профессиональные интересы: координационная химия, фотохимия, теоретическая химия, спектроскопия
Марат Хуснияров очень гармоничный человек. На работе он изучает уникальные комплексы железа, а в свободное от работы время, для души, - слушает готику и тяжёлый рок. Такая запредельная, на первый взгляд, концентрация металла в жизни ему нисколько не мешает, скорее, наоборот, приносит моральное удовлетворение и вполне ощутимый профессиональный успех. Недавно в соавторстве с учёными из Государственного Университета Нью-Мексико (New Mexico State University, USA) и коллегами из теперь уже родного Университета Эрлангена - Нюрнберга (Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg, Deutschland) он написал статью в журнал Science об интересном научном эксперименте, в результате которого впервые в мире был получен кристалл с комплекса пятивалентного нитрида железа. Как полагает сам учёный, эта работа поможет лучше понять механизмы реакции получения аммиака из атмосферного азота и, возможно, станет исходной точкой для синтеза систем, которые по эффективности превзойдут используемый в промышленности почти сотню лет энергоёмкий процесс Хабера-Боша.
Справка STRF.ru:
Метод химического производства аммиака - его синтез из азота и водорода - был открыт немецким ученым Фрицем Хабером в 1904 году и принёс Нобелевскую премию своему изобретателю. Процесс был доведён до промышленных масштабов Карлом Бошем, с тех пор часто говорят о процессе Хабера-Боша.
Изначально аммиак использовался как дешёвый источник азота для производства азотной кислоты, бывшей ключевым компонентом взрывчатых веществ. Сейчас большая часть аммиака идёт на производство химических удобрений, используется как необходимый элемент в охладительных устройствах
Попытаюсь теперь объяснить подробно и популярно, что всё это означает и к чему ведёт. Много лирики, впрочем, не обещаю, всё же речь пойдёт о довольно сложных процессах, о которых в научном мире рассказывают преимущественно на языке терминов и формул, - а их трактовки, увы, тоже не так просты для понимания. Почти как тяжёлый рок для широких масс.
Нобелевка за аммиак
…Но в кругах учёных-химиков эта тема, которую в общем виде можно обозначить как «изучение реакций высоковалентных комплексов переходных металлов» ассоциируется, конечно, с другими, более популярными, жанрами. В той или иной степени ей занимается каждая пятая неорганическая или органометаллическая лаборатория в мире. Особенно сильны на этом поле учёные из США и Западной Европы, имеющие достаточно оборудования и средств, чтобы удерживать лидирующие позиции в этом своеобразном научном хит-параде. Один из последних громких успехов, связанных с данной тематикой, принадлежит директору Института Фрица Хабера Общества Макса Планка (Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft) Герхарду Эртлю, прояснившему многие фундаментальные вопросы каталитического синтеза, в частности, реакцию получения аммиака в результате взаимодействия атмосферного азота и водорода, и получившего в итоге наивысшее признание в науке - Нобелевскую премию (2007 год).
Среди практических приложений открытий Эртля - получение катализаторов, позволяющих нейтрализовать выхлопные газы автомобилей, создание покрытий, препятствующих коррозии металлов, производство установок для получения высокого вакуума и сверхчистых поверхностей. Эти результаты, что называется, уже проверены временем (за другие Нобелевские премии и не дают).
К чему приведут открытия коллектива учёных Государственного Университета Нью-Мексико и Университета Эрлангена - Нюрнберга, сегодня можно только фантазировать.
Железные реакции
Фундаментальная задача, которую решали исследователи, состояла в синтезе высоковалентного комплекса железа(V) (степень окисления +5) и его детальном описании.
«Вообще соединения железа со степенью окисления выше, чем +3, очень редки, - поясняет Марат. - Обусловлено это тем, что высоковалентные соединения железа, как, впрочем, и других позднепереходных металлов обычно обладают низкой термической стабильностью и высокой реакционной способностью, то есть склонны разлагаться, вступать в реакции с молекулами растворителя, или с самими собой при комнатной температуре. А интерес к синтезу таких малостабильных комплексов объясняется тем, что эти комплексы, если они всё-таки синтезированы или хотя бы получены, как говорят, in situ, в виде интермедиатов, могут проводить необычные химические реакции в очень мягких условиях (атмосферное давление, комнатная или пониженная температура), что практически недостижимо при использовании аналогичных комплексов металлов с "обычными" степенями окисления (+2 и +3 для железа).
В нашем случае речь идёт о молекулярном соединении нитрида железа(V). Основной практический интерес к синтезу нитридов железа состоит, пожалуй, в симуляции хорошо известных процессов получения аммиака из молекулярного азота».
В промышленности реакция молекулярного водорода с молекулярным азотом и последующим образованием молекулы аммиака в так называемом процессе Хабера-Боша требует наличия железного катализатора, высокого давления порядка 200 атмосфер и высокой температуры - около +400 градусов Цельсия. То есть этот процесс очень энергоемкий и, скажем так, не самый оптимальный; тем не менее в настоящее время это основной промышленный метод получения аммиака из азота. Ничего лучшего человечеством пока не изобретено. С другой стороны, природа знает, по выражению Марата, очень элегантный и гораздо более мягкий метод синтеза аммиака. Дело в том, что в некоторых бактериях железосодержащий энзим (фермент) нитрогеназа, так сказать, биокатализатор, способен проводить аналогичную реакцию активации молекулярного азота при «человеческих» условиях: комнатной температуре и атмосферном давлении.
Хотя механизмы обеих этих реакций полностью не изучены, считается, что в них формируются интермедиаты нитриды железа, которые реагируют с водородом с образованием молекулы аммиака.
Глав-бокс в помощь
Повторюсь, главная заслуга групп из США и Германии в том, что они впервые выделили и кристаллографически описали молекулярный комплекс Fe(V) - нитрид. Изначально, кстати, он был синтезирован в Нью-Мексико, но учёные из США не смогли его охарактеризовать «в домашних» условиях. Транспортировать такое нестабильное вещество оказалось довольно сложно, так что комплекс был заново синтезирован в Эрлангене и уже здесь детально охарактеризован.
«Мы окислили исходный комплекс Fe(IV) до продукта Fe(V) стандартным окислителем катионом ферроцения. Реакция проводилась в глав-боксе в атмосфере инертного газа азота, - рассказывает Марат. - Так как Fe(V) был не стабилен при комнатной температуре, все растворы предварительно охлаждались примерно до -78 градусов Цельсия. Затем сильно остуженные растворы Fe(IV) и ферроцения сливались вместе. Вся последующая обработка реакционной смеси проводилась также в холодном глав-боксе, в котором можно остужать приготовляемые растворы с помощью жидкого азота, а также создавать вакуум и хранить образцы во встроенном холодильнике с контролируемой температурой. Без этого оборудования работа была бы немыслима. Кристаллы Fe(V) были получены методом медленной диффузии растворителей также при пониженных (-35 градусов Цельсия) температурах. Жидкие и твёрдые образцы нитрида Fe(V) для последующих измерений быстро готовились в том же глав-боксе, а затем замораживались до -196 градусов Цельсия с помощью жидкого азота».
Молекулярная структура Fe (V), полученная методом рентгеноструктурного анализа
До этого, отмечает учёный, формирование комплексов железа(V) и железа(VI) детектировали лишь спектроскопически при очень низких температурах, но никогда не удавалось выделить такие комплексы в чистом виде и тем более получить с них кристалл для рентгеноструктурного анализа.
На вопрос о том, будет ли выделенный нитрид железа(V) иметь практическое применение в реакции получения аммиака, руководитель группы Университета Эрлангена - Нюрнберга Марат Хуснияров отвечает, что нет, пока не будет. Однако он убеждён, что эта фундаментальная работа добавит понимания механизмов в реакции получения азота и, может быть, когда-нибудь приблизит науку к биокатализатору нитрогеназе, способному работать в очень мягких условиях.
Металл - навсегда!
Новые исследования Марата Хусниярова определённо будут связаны с железом, которым он увлёкся как учёный ещё десять лет назад, будучи студентом-дипломником НГУ, - тогда предметом его изучения были модные железные катализаторы для синтеза полиэтилена. С тех пор его тематика несколько раз сменилась, но всегда неотъемлемой и важнейшей её частью остаётся элемент Fe. Другая «особая примета» работ нашего соотечественника - тёмный, практически чёрный цвет синтезируемых им веществ. Всё это, как вскользь уже говорилось в начале статьи, - не случайно. Металл - это вдохновение Марата. «Тяжёлый рок я неустанно продолжаю слушать на протяжении 15 лет, лишь изредка переключаясь на мрачную и чёрную готическую музыку, - рассказывает учёный. - Надеюсь, чёрный цвет и железо в музыке и науке будут ещё много лет радовать меня и служить отличным стимулом, чтобы идти вперёд».
Быкова Наталья для STRF.ru